ECTS - University of Pisa
Scheda programma d'esame
PLANT BIOCHEMISTRY
MIKE FRANK QUARTACCI
Academic year2021/22
CourseVITICULTURE AND ENOLOGY
Code190GG
Credits6
PeriodSemester 1
LanguageItalian

ModulesAreaTypeHoursTeacher(s)
BIOCHIMIICAAGR/13LEZIONI64
MIKE FRANK QUARTACCI unimap
Obiettivi di apprendimento
Learning outcomes
Conoscenze

Al termine del corso:

  • lo studente avrà acquisito le conoscenze delle più importanti reazioni biochimiche e vie metaboliche, con particolare attenzione alle relazioni tra struttura e funzione delle principali classi di macromolecole e alla regolazione metabolica a livello molecolare e cellulare;
  • lo studente avrà compreso i principali meccanismi biochimici che regolano le più importanti funzioni metaboliche;
  • lo studente avrà acquisito le conoscenze della più comune strumentazione e del materiale analitico presente in un laboratorio di biochimica.
Knowledge

At the end of the course:

  • the student will acquire the knowledges needed to understand the biochemical and biological context of molecules, reactions and metabolic pathways, with particular attention to: i) the structure/function relationship of the main macromolecules, and ii) the metabolic regulation at both the molecular and cellular levesl;
  • the student will understand the main biochemical mechanisms which regulate the most important metabolic functions;
  • the student will acquire the knowledge of the most common instrumentation and of the glassware present in a biochemical laboratory.
Modalità di verifica delle conoscenze

Per l’accertamento delle conoscenze saranno svolte delle prove scritte in itinere, oltre a incontri tra il docente e gli studenti che si svolgeranno mediante lezioni di accertamento finalizzate alla valutazione delle conoscenze acquisite. Nello specifico:

  • conoscenza della bioenergetica e della cinetica enzimatica delle reazioni cataboliche ed anaboliche che avvengono nella cellula;
  • conoscenza delle principali vie biochimiche anaboliche e cataboliche del metabolismo primario e secondario;
  • comprensione dei processi metabolici cellulari e delle interconnessioni esistenti;
  • conoscenza del meccanismo di assimilazione degli elementi nutritivi con particolare riferimento all’azoto.
Assessment criteria of knowledge

For the assessment of the knowledges ongoing written tests will be carried out, besides meetings between the teacher and the students by means of lessons aimed at evaluating the gained information. In particular:

  • knowledge of bioenergetics and enzymatic kinetics of the cellular catabolic and anabolic reactions;
  • knowledge of the main anabolic and catabolic pathways involved in the metabolism of primary and secondary metabolism;
  • understanding of the cellular metabolic processes and their relationships;
  • knowledge of the assimilation mechanism of the mineral elements with particular reference to nitrogen.
Capacità

Al termine del corso:

  • lo studente avrà acquisito non solo competenze e conoscenze adeguate al superamento dell’esame, ma soprattutto capacità e metodi di apprendimento adeguati per l’aggiornamento e l’innalzamento delle proprie competenze nell’ambito della biochimica vegetale;
  • lo studente avrà acquisito la capacità di comprendere in un quadro generale i principali processi anabolici e catabolici che avvengono nella cellula e le interconnessioni tra questi, nonché le leggi che regolano i processi chimici nella cellula;
  • lo studente avrà acquisito la capacità di muoversi in un laboratorio chimico e utilizzare il materiale (glassware) e la strumentazione presente.
Skills

At the end of the course:

  • the student will acquire not only skills and knowledges for passing the examination, but especially stimuli, ability and learning methods suitable for the upgrading and promotion of skills in the plant biochemistry field;
  • the student will acquire the knowledge of the main cellular anabolic and catabolic processes and the interconnections among them, besides the knowledge of the laws which regulate the chemical reactions in the cell;
  •  the student will acquire the skill to operate in a chemical laboratory and to use both the material (glassware) and the equipment present herein.
Modalità di verifica delle capacità

Durante lo svolgimento del corso saranno effettuate lezioni di accertamento durante le quali lo studente dovrà dimostrare di:

  • avere acquisito la capacità di svolgere esercizi di termodinamica nonché di cinetica enzimatica;
  • avere acquisito la capacità di interconnettere tra loro i processi metabolici che avvengono nella cellula;
  • avere acquisito la capacità di scrivere le strutture chimiche delle principali molecole.
Assessment criteria of skills

During the course assessment lessons will be carried out, during which the student must prove:

  • to have acquired the ability to solve exercises related to bioenergetics and enzymatic kinetics;
  • to have acquired the ability to interconnect among them the metabolic processes occurring in the cell;
  • to have acquired the ability to write the chemical structure of the main molecules.

 
Comportamenti

Alla fine del corso lo studente avrà acquisito e/o sviluppato:

  • la capacità di utilizzare gli strumenti di base di un laboratorio di biochimica;
  • la capacità di risolvere un problema di termodinamica relativo a un processo metabolico;
  • la capacità di affrontare le tematiche relative al metabolismo cellulare.
Behaviors

At the end of the course the student will acquire and/or develop:

  • the ability to use the basic instruments and tools of a biochemical laboratory;
  • the ability to solve a thermodynamic problem related to a metabolic process;
  • the ability to address the issues related to the cell metabolism.
Modalità di verifica dei comportamenti

La verifica dei comportamenti sarà effettuata:

  • durante le esercitazioni numeriche e/o di laboratorio in cui si valuterà il grado di accuratezza e precisione delle attività svolte (determinazioni analitiche di alcuni dei principali composti, saggi enzimatici);
  • durante le esercitazioni di accertamento finalizzate a valutare il comportamento dello studente di fronte alle problematiche poste dal docente.
Assessment criteria of behaviors

The behaviour verification will be carried out:

  • during numerical and/or laboratory practice exercises in which the degree of accuracy and precision of the activities will be evaluated (analytical determination of some main compounds, enzymatic assays);
  • during the assessment exercises aimed at evaluating the student’s behaviour in response to the problems posed by the teacher.
Prerequisiti (conoscenze iniziali)

Per affrontare l’insegnamento di Biochimica sono necessarie le conoscenze iniziali di:

  • chimica generale e nello specifico i legami chimici, la termodinamica, le reazioni di ossido-riduzione, l’elettrochimica nonché le proprietà delle soluzioni acquose;
  • chimica organica per quanto riguarda la struttura delle molecole organiche, i principali gruppi funzionali e reazioni chimiche organiche;
  • la struttura della cellula.
Prerequisites

The Biochemistry course requires initial knowledges concerning:

  • general chemistry, in particular chemical bonds, thermodynamics, redox reactions, electrochemistry and aqueous solution properties;
  • organic chemistry for what concerns organic molecule structure, main functional groups and chemical reactions;
  • the structure of the cell. 
Indicazioni metodologiche
  • le lezioni frontali e in streaming si svolgono con l’ausilio di diapositive, mentre quelle in laboratorio sono effettuate in un laboratorio chimico didattico predisposto ed attrezzato per svolgere esercitazioni chimiche;
  • le esercitazioni in laboratorio vengono effettuate per gruppi di studenti;
  • viene utilizzato un sito online dove viene fornito il materiale didattico utilizzato nelle lezioni frontali e sono pubblicate le comunicazioni di qualsiasi tipo con gli studenti;
  • l’interazione tra docente e studenti avviene anche mediante ricevimenti, posta elettronica e studenti consiglieri;
  • sono presenti prove intermedie scritte.
Teaching methods
  • lectures are held with the help of slides, whereas those in the laboratory are carried out in a teaching laboratory designed and equipped for chemical practices exercises;
  • the chemical laboratory exercises are carried out in groups of students;
  • an online web site provides the teaching material used during lectures and disseminates information to students;
  • the interaction between teacher and students takes also place through meetings, e-mail and counselling students;
  • intermediate written test are present.
Programma (contenuti dell'insegnamento)

Bioenergetica. Entalpia, entropia ed energia libera; variazione di energia libera; energia libera reale e standard; reazioni endoergoniche ed esoergoniche e loro accoppiamento; energia libera e costante di equilibrio delle reazioni; potenziale di ossidoriduzione; energia libera e potenziale redox; legami ricchi di energia; principali composti ricchi di energia; struttura e caratteristiche dell’ATP; carica energetica della cellula.

Enzimi. Struttura delle proteine. Nomenclatura e classificazione degli enzimi; struttura, proprietà e meccanismi di azione degli enzimi; energia di attivazione; interazioni enzima-substrato; ordine delle reazioni; velocità di reazione e sua dipendenza da temperatura, pH, concentrazione dell’enzima e del substrato; costante di Michaelis-Menten; meccanismi di inibizione (competitiva, non competitiva, feed-back); enzimi allosterici; isoenzimi; complessi enzimatici. Struttura e caratteristiche dei principali cofattori enzimatici.

Membrane. Composizione lipidica delle membrane: acidi grassi, fosfolipidi, glicolipidi e steroli. Proprietà chimico-fisiche: permeabilità e fluidità. La componente proteica delle membrane. Costituzione delle membrane biologiche: il modello a mosaico fluido.

Trasporto di membrana. Aspetti termodinamici del trasporto dei soluti; gradiente elettrochimico; trasporto passivo (diffusione, diffusione facilitata, canali) ed attivo (trasporto primario e secondario). Nutrienti minerali: competizione ionica, antagonismo e sinergismo; forma chimica di assorbimento.

Respirazione. Fattori interni ed esterni influenzanti la respirazione; quoziente respiratorio; glicolisi e fermentazione; complesso della piruvato deidrogenasi; ciclo di Krebs; struttura e funzionamento della catena di trasporto elettronico; fosforilazione a livello del substrato e fosforilazione ossidativa; ipotesi chemio-osmotica di Mitchell; bilancio energetico della respirazione; regolazione della respirazione. La via dei pentosi fosfato.

Fotosintesi. Natura della luce e proprietà delle radiazioni luminose; pigmenti fotosintetici: carotenoidi e clorofille; trasferimento di energia radiante mediante risonanza; complessi antenna, fotosistemi e centri di reazione; separazione di carica; fotolisi; meccanismo del trasporto elettronico tilacoidale; fotofosforilazione non ciclica e ciclica; assimilazione C3 del carbonio; ciclo di Calvin; regolazione della fotosintesi; fotorespirazione.

Sintesi dei carboidrati. Sintesi del saccarosio e dell’amido; regolazione del metabolismo in funzione dell’alternanza luce/buio; trasporto a lunga distanza.

Metabolismo azotato. Riduzione assimilatoria dei nitrati; ciclo della glutammina; altri meccanismi di biosintesi degli amminoacidi.

Metabolismo secondario. Biosintesi dei composti fenolici: via dello scichimato e dei fenilpropanoidi (fenoli non flavonoidi e flavonoidi).

Nutrizione minerale. Definizione e classificazione degli elementi nutritivi; criteri di essenzialità degli elementi; funzioni degli elementi essenziali.
Syllabus

Bioenergetics. Enthalpy, entropy and free energy; free energy change; standard free energy; endergonic and exergonic reactions and their coupling; free energy and equilibrium constant; redox potential; free energy and redox potential relationship; energy-rich bonds; main energy-rich compounds; structure and characteristics of ATP; energy charge of the cell.

Enzymes. Protein structure; Nomenclature and classification of enzymes; structure, properties and mechanisms of action of enzymes; activation energy; enzyme-substrate interactions; order of reactions; reaction speed and its dependence on temperature, pH, and enzyme and substrate concentrations; Michaelis-Menten constant; mechanisms of enzymatic inhibition (competitive, non-competitive, feedback); allosteric enzymes; isozymes; enzymatic complexes. Structure and characteristics of the main enzymatic cofactors.

Membranes. Lipid composition of membranes: fatty acids, phospholipids, glycolipids and sterols. Chemical-physical characteristics: permeability and fluidity. Membrane proteins. Biological membrane structure: the fluid mosaic model.

Membrane transport. Thermodynamic aspects of solute transport; electrochemical gradient; passive transport (diffusion, facilitated diffusion, channels) and active transport (primary and secondary transports). Mineral nutrients: ionic competition, antagonism and synergism; chemical forms of uptake.

Respiration. Internal and external factors which influence respiration; respiratory quotient; glycolysis and fermentation; the pyruvate dehydrogenate complex; the Krebs cycle; electronic transport chain: structure and functioning; phosphorylation at the substrate level and oxidative phosphorylation; Mitchell chemo-osmotic theory; respiratory energy balance; regulation of respiration. The pentose-phosphate pathway.

Photosynthesis. Light radiation properties; photosynthetic pigments: carotenoids and chlorophylls; light energy transfer by resonance; antenna complexes, photosystems and reaction centres; charge separation; photolysis; thylakoid electronic transport mechanism; non-cyclic and cyclic photophosphorylation; C3 carbon assimilation; the Calvin cycle; regulation of photosynthesis; photorespiration.

Synthesis of carbohydrates. Synthesis of sucrose and starch; regulation of metabolism as a function of light/dark alternation; long distance transport.

Nitrogen metabolism. Assimilatory reduction of nitrates; the glutamine cycle; other amino acid biosynthetic mechanisms.

Secondary metabolism. Biosynthesis of phenolics: the shikimate  and phenylpropanoid (non-flavonoid and flavonoid phenols) pathways.

Mineral nutrition. Classification of the nutritive elements; criteria for element essentiality; functions of plant essential elements.

 
Bibliografia e materiale didattico
  • Autori vari (2016) Fondamenti di biochimica agraria. Pàtron Editore, Bologna.
  • Buchanan B., Gruissem W., Jones R.L. (2003) Biochimica e biologia molecolare delle piante. Zanichelli, Bologna.
  • Nelson D.L., Cox M.M. (2015) Introduzione alla biochimica di Lehninger. Zanichelli, Bologna.
  • Ritter P. (1998) Fondamenti di biochimica. Zanichelli, Bologna.
  • Il materiale didattico utilizzato dal docente sarà disponibile online
Bibliography

In addition to the material provided by the teacher, the use of a plant biochemistry book is suggested.

Reference books in Italian:

  • Autori vari (2016) Fondamenti di biochimica agraria. Pàtron Editore, Bologna.
  • Buchanan B., Gruissem W., Jones R.L. (2003) Biochimica e biologia molecolare delle piante. Zanichelli, Bologna.
  • Nelson D.L., Cox M.M. (2015) Introduzione alla biochimica di Lehninger. Zanichelli, Bologna.
  • Ritter P. (1998) Fondamenti di biochimica. Zanichelli, Bologna.

 
Indicazioni per non frequentanti

Gli studenti non frequentanti possono seguire lo svolgimento delle lezioni utilizzando il materiale didattico messo a disposizione on line dal docente prima dell’inizio del corso e seguendo il registro delle lezioni.
Non-attending students info

Not-attending students can follow the lessons using the teaching material provided online by the teacher before the beginning of the lectures, and consulting the lesson log.
Modalità d'esame

Studenti frequentanti: prove in itinere su parti specifiche del programma. Le prove superate valgono per l'intero anno accademico (fino a settembre 2022). La prova è superata se si acquisisce una votazione minima di 16/30. La votazione finale risultante dal superamento delle varie prove viene calcolata come media delle singole votazioni ottenute.

Nel caso di due prove, anche non consecutive, con votazione <16 lo studente non potrà più sostenere ulteriori verifiche in itinere e dovrà sostenere un esame orale sulla restante parte del programma e sugli argomenti insufficienti (verifiche con votazione <16).

Nel caso di tre prove con votazione compresa tra 16 e 18, anche non consecutive, lo studente non potrà più sostenere ulteriori verifiche in itinere e dovrà sostenere un esame orale sulla restante parte del programma e sugli eventuali argomenti insufficienti (verifiche con votazione <16).

L’esame orale consisterà in un colloquio sugli aspetti teorici della biochimica e sulla scrittura di alcune strutture chimiche presentate durante il programma. Per chi volesse migliorare la valutazione finale acquisita con le sole verifiche, il colloquio verterà su tutto il programma.

Studenti non frequentanti e studenti che non hanno sostenuto le prove: esame scritto per accedere al successivo esame orale secondo il calendario degli esami.
Assessment methods

Attending students: ongoing tests on specific parts of the program. The exams passed are valid for the entire academic year (until September 2022). The test is passed if a minimum grade of 16/30 is acquired. The final mark resulting from passing the various tests is calculated as the average of the individual marks obtained.

In the case of two tests, even if not consecutive, with a score of <16, the student will no longer be able to take further tests on the way and will have to take an oral exam on the remaining part of the program and on insufficient topics (tests with a score of <16).


In the case of three tests with a score between 16 and 18, even if not consecutive, the student will no longer be able to take further tests in progress and will have to take an oral exam on the remaining part of the program and on any insufficient topics (tests with a score of <16) .

The oral exam will consist of an interview on the theoretical aspects of biochemistry and on the writing of some chemical structures presented during the program. For those wishing to improve the final assessment acquired with the checks alone, the interview will focus on the entire program.

Non-attending students and students who have not taken the tests: written exam to access the next oral exam according to the exam calendar.
Updated: 11/01/2022 10:26