ECTS - University of Pisa
Corso Integrato di Biochimica e Biologia Molecolare
CORE CURRICULUM
MODULO DI BIOCHIMICA
MODULO DI BIOLOGIA MOLECOLARE
Lo studente sarà in grado di interpretare in chiave biochimica i processi biologici normali e patologici, fornendogli le conoscenze necessarie per la comprensione delle caratteristiche chimiche dei composti che costituiscono gli organismi viventi e delle correlazioni struttura-funzione degli stessi composti;delle vie metaboliche, delle loro interrelazioni, della loro regolazione e della loro distribuzione nei compartimenti cellulari;della specializzazione a livello molecolare, sovramolecolare e metabolico di cellule, tessuti ed organi. Lo studente acquisirà inoltre conoscenze sulle principali tecniche di biologia molecolare, sulle modalità di analisi del genoma e del trascrittoma, sulla variabilità del genoma tra individui e le applicazioni in medicina legale, sulla produzione di proteine ricombinanti ad uso terapeutico, sulla terapia genica e la terapia sostitutiva, sulla tecnologia di produzione di OGM. Infine, lo studente apprenderà anche le principali metodologie per lo studio delle proteine.
The student who completes the course successfully will be able to demonstrate a solid knowledge of the biochemical basis of cellular function and tissue physiology, as well as the organization of the human genoma and the regulation of gene expression. He or she will acquire the ability to understand the biochemical basis of human disease and to understand the application of biochemical and molecular biology techniques to biological and medical issues.
Le modalità di verifica delle conoscenze richiamano la partecipazione attiva alle lezioni frontali tramite l’interazione diretta tra docente e discenti, così da favorire momenti di commento e approfondimento degli argomenti esposti. Un syllabus con una descrizione analitica degli argomenti trattati nel corso delle lezioni frontali viene messo a disposizione ai /alle discenti. Per la verifica in tempo reale dell’efficacia dell’apprendimento e per suscitare interesse di approfondimento della materia, il/la docente propone alle studentesse e agli studenti domande ed esercitazioni inerenti all’argomento oggetto della lezione secondo la metodologia del Problem Based Learning, avvalendosi talvolta di sistemi di instant poll. Inoltre, saranno svolte delle prove in itinere utilizzando test scritti.
The student will be assessed on his/her demonstrated ability to discuss the main course contents using the appropriate terminology. He or she must be able to demonstrate adequate knowledge of the basic issues of biochemistry and molecular biology and to apply them to biological and/or medical problems.
Methods:
Al termine del corso il/la discente con la conoscenza della biochimica strutturale e funzionale avrà la capacità di capire, di analizzare criticamente e di approfondire ulteriormente argomenti che coinvolgono i processi biochimici cellulari, le tecnologie di biologia molecolare e le nuove frontiere terapeutiche in completa autonomia, nonché di fornire esempi di alterazioni metaboliche dovuti a disfunzione o degenerazione delle strutture molecolare studiate.
The student will become able to apply the principles of biochemistry and molecular biology to physiological and pathophysiological issues.
Durante il semestre di lezione, i/le discenti vengono incoraggiati ad organizzare e a intervenire ad incontri nei quali, con la supervisione del/della docente nel ruolo di facilitatore, i partecipanti approfondiscono determinate tematiche e/o si propongono per esporre argomenti sui quali ritengono di avere acquisito adeguata padronanza.
The final examination will also check how the student can apply the principles of biochemistry and molecular biology to issues and problems which have not been specifically dealt with during the course.
Al termine del corso saranno acquisite sensibilità e spirito analitico riguardo ai processi biochimici e alla loro correlazione, alle tecnologie di studio, di analisi e di manipolazione degli acidi nucleici e delle proteine.
The student must acquire the ability to collect and discuss biochemical data.
Durante il corso delle lezioni sono presentati casi studio in cui sono analizzate alterazioni patologiche per cui sarà incoraggiata la discussione delle potenziali disfunzioni a livello di tutto l’organismo.
The ability to collect and discuss biochemical data will be assessed within the final examination.
Per poter seguire il corso in maniera proficua è opportuno aver una conoscenza approfondita di chimica e chimica organica e di biologia cellulare (cellule procariotiche ed eucariotiche), argomenti trattati nei corsi di Chimica e Propedeutica Biochimica e di Biologia Generale.
The students must have acquired adequate knowledge and skills in chemistry, organic chemistry, cytology and thermodynamics.
Per poter consolidare ed ampliare le conoscenze richieste dal corso di insegnamento si consiglia di frequentare i corsi opzionali affini.
Il corso pone le basi per quello di fisiologia e per i successivi corsi integrati di patologia sistematica, in particolare per quelli che tratteranno le alterazioni metaboliche.
Le lezioni, la cui frequenza è obbligatoria ai sensi del Regolamento didattico del Corso di Studio, si svolgono con metodologia frontale, durante le quali il materiale didattico è presentato:
Viene vivamente raccomandato lo studio tramite l’utilizzo dei libri di testo specifici, disponibili anche presso la biblioteca di Medicina. Parte del materiale didattico presentato a lezione è messo a disposizione sulla pagina di Teams (o e-learning) dedicata al corso di insegnamento. Per ricevere chiarimenti su specifici argomenti descritti nel corso delle lezioni, e comunque per migliorare il livello di preparazione richiesto dall’insegnamento, viene consigliato l’uso dello strumento dei ricevimenti con i docenti. Oltre allo studio individuale, viene stimolato ed incoraggiato lo studio di gruppo e vengono altresì fornite indicazioni su metodologie di studio che permettano una più efficace acquisizione ed elaborazione dei concetti presentati nel corso delle lezioni.
Delivery: face to face
Learning activities:
Attendance: Mandatory
Teaching methods:
PROGRAMMA DEL MODULO DI BIOCHIMICA DEL CORSO INTEGRATO DI BIOCHIMICA E BIOLOGIA MOLECOLARE
BIOCHIMICA e BIOLOGIA MOLECOLARE
Proteine
Classificazione e funzione delle proteine. Struttura primaria delle proteine. Proprietà del legame peptidico. Struttura secondaria delle proteine (alfa-elica, beta-struttura): proprietà e legami che la stabilizzano. Esempi di proteine fibrose. Struttura terziaria delle proteine e legami che la stabilizzano. Strutture supersecondarie e domini. Struttura quaternaria delle proteine. Esempi di proteine monomeriche e polimeriche. Denaturazione e rinaturazione delle proteine. Le proteine come elettroliti. Proteine trasportatrici di ossigeno: mioglobina ed emoglobina. Struttura dell’eme e rapporto eme-globina. Il legame dell’ossigeno all’eme. Variazioni della struttura terziaria e quaternaria indotte dal legame con l’ossigeno. Curve di ossigenazione di mioglobina ed emoglobina. Effetto Bohr. Basi molecolari della tossicità del CO. Emoglobine fetali. Metaemoglobina.
Enzimi e coenzimi
Enzimi: definizione, natura, nomenclatura e classificazione. Meccanismi di catalisi enzimatica. Cinetica enzimatica: teoria di Michaelis e Menten. L’equazione di Michaelis e Menten: Km e Vmax. Determinazione dell’attività enzimatica, definizione di unità enzimatica. Fattori che influenzano l’attività enzimatica. Inibizione enzimatica. Regolazione dell’attività enzimatica. Sistemi multienzimatici. Isoenzimi. Concetto di coenzima e rapporto coenzimi-vitamine idrosolubili.
Glucidi
Monosaccaridi, disaccaridi e polisaccaridi. Acidi aldonici, saccarici e uronici. Glicoproteine e proteoglicani.
Lipidi
Vari tipi di lipidi. Acidi grassi saturi, insaturi e ramificati. Acidi grassi essenziali. Eicosanoidi. Stereoisomeria dei gliceridi. Triacilgliceroli. Fosfogliceridi e acido fosfatidico. Sfingolipidi. Gli steroli e gli steroidi: colesterolo, acidi biliari e derivati.
Nucleotidi
Significato e struttura dei ribonucleotidi e dei desossiribonucleotidi. Nucleosidi di- e trifosfati. ATP ed altri composti ad alta energia di idrolisi.
Introduzione al metabolismo
Concetto di metabolismo: catabolismo ed anabolismo. Reazioni esoergoniche ed endoergoniche. Reazioni accoppiate. Ruolo centrale dell’ATP nel metabolismo energetico. Gli stadi idrolitici ed ossidativi del catabolismo. Struttura e funzione dei coenzimi piridinici e flavinici. Rapporti tra anabolismo e catabolismo.
Metabolismo glucidico
Utilizzazione e ruolo del glucosio nel metabolismo. Reazioni della glicolisi. I destini metabolici del piruvato. Reazione generale della glicolisi. Regolazione della glicolisi. Gluconeogenesi e sua regolazione. Substrati della gluconeogenesi. Ruolo del glicogeno. Glicogenolisi e glicogenosintesi. Glicogeno fosforilasi e glicogeno sintasi come modelli di enzimi interconvertibili. Regolazione del metabolismo del glicogeno. Utilizzazione e sintesi di zuccheri diversi dal glucosio (galattosio, fruttosio, mannosio). Ruolo della via dei pentosi nella genesi di NADPH e di zuccheri a 4, 5, 7 atomi di carbonio. Reazioni e loro regolazione. Ruolo del NADPH nel metabolismo.
Processi ossidativi: ciclo di Krebs, trasporto degli elettroni e fosforilazione ossidativa
Decarbossilazione ossidativa del piruvato. Struttura, meccanismo di azione e regolazione della piruvato deidrogenasi. I coenzimi coinvolti nell'ossidazione del piruvato e nel ciclo di Krebs. Reazioni ed enzimi del ciclo di Krebs. Reazione globale, resa energetica e regolazione. Ruolo biosintetico del ciclo di Krebs e regolazione. I costituenti della catena respiratoria: organizzazione in complessi, potenziali di ossidoriduzione. Le flavoproteine. Il coenzima Q. Citocromi a, b, c. La catena respiratoria: struttura e funzione dei complessi I, II, III e IV. Meccanismo molecolare della fosforilazione ossidativa. Regolazione della catena respiratoria e della fosforilazione ossidativa. Gli inibitori della catena respiratoria e della fosforilazione ossidativa; agenti disaccoppianti. Trasporto degli elettroni dal citoplasma al mitocondrio (sistemi navetta). Trasporto dell’ATP formato nel mitocondrio. Altri enzimi che utilizzano l’ossigeno: ossigenasi, ossidasi, perossidasi. Meccanismo di idrossilazione e ruolo del citocromo P450. Le specie reattive dell’ossigeno (ROS): natura chimica e meccanismi biochimici del danno cellulare. Sistemi difensivi enzimatici e non enzimatici.
Metabolismo lipidico
Ossidazione degli acidi grassi: funzione, attivazione, trasporto mitocondriale e beta-ossidazione. La carnitina. Resa energetica. Beta-ossidazione perossisomiale, alfa-ossidazione ed omega-ossidazione; catabolismo degli acidi grassi insaturi, a numero dispari di atomi di carbonio e ramificati. Formazione e destino del propionil-CoA. Formazione dei corpi chetonici e loro utilizzazione. Sintesi del palmitato: reazioni, enzimi e regolazione. Allungamento ed insaturazione degli acili. Sintesi e degradazione dei trigliceridi, fosfogliceridi e sfingolipidi. Metabolismo degli eicosanoidi. Sintesi del colesterolo e sua regolazione. Esteri del colesterolo. Metabolismo e ruolo degli acidi biliari. Trasporto dei lipidi nel sangue. Classificazione, struttura, funzione delle lipoproteine plasmatiche. Aspetti biochimici del trasporto di membrana. Metabolismo dell’etanolo.
Metabolismo degli amminoacidi
Digestione delle proteine: proteasi, endo ed esopeptidasi. Degradazione intracellulare delle proteine: degradazione lisosomiale e sistema dell’ubiquitina. Destino metabolico degli amminoacidi. Amminoacidi essenziali. Reazioni di transaminazione e deaminazione e loro ruolo. Reazione e regolazione della glutammato deidrogenasi. Decarbossilazione degli amminoacidi e poliammine. Destino metabolico dell’NH3. Reazioni e regolazione del ciclo dell’urea. Correlazione tra ciclo dell’urea e ciclo di Krebs. Amminoacidi gluco e lipogenetici. I principali coenzimi del metabolismo dell’azoto. Porfirine. Sintesi e catabolismo dell’eme. Formazione dell’acido-amminolevulinico e regolazione. Pigmenti biliari (origine, coniugazione ed escrezione).
Metabolismo dei nucleotidi e degli acidi nucleici
Sintesi de novo dei nucleotidi purinici: origine degli atomi dell’anello purinico; reazione generale, richiesta energetica e regolazione. Formazione del PRPP e suo impiego nella sintesi dei nucleotidi purinici e pirimidinici. Sintesi dell’AMP e del GMP da IMP. Regolazione. Reazioni di fosforilazione dei nucleosidi purinici e pirimidinici mono e difosfati. Reimpiego delle basi e dei nucleosidi purinici. Catabolismo dei nucleotidi purinici ad acido urico. Sintesi dei nucleotidi pirimidinici: origine degli atomi dell’anello pirimidinico, reazione generale, richiesta energetica e regolazione. Catabolismo dei nucleotidi pirimidinici. Sintesi dei deossiribonucleotidi e sua regolazione. Il DNA: l’elica del DNA e le forze che la stabilizzano. Interazioni fra DNA e proteine. Replicazione del DNA nei procariori e negli eucarioti: enzimi coinvolti e meccanismi biochimici che assicurano la fedeltà della replicazione. Tipi di RNA e loro struttura. I ribozimi e la catalisi da RNA. Sintesi dell'RNA (trascrizione) nei procarioti e negli eucarioti: RNA polimerasi, fattori di trascrizione generali e specifici, co-attivatori. Modificazioni post-trascrizionali dell'RNA (splicing alternativo, editing dell'RNA e regolazione da parte di microRNA). Il turnover dell'RNA.
Sintesi proteica
Enzimologia e regolazione della sintesi proteica. RNA transfer e loro aminoacilazione. Interazioni fra ribosomi, mRNA, tRNA e fattori solubili della sintesi proteica. Velocità e richiesta energetica per la sintesi. Acquisizione della struttura tridimensionale. Modificazioni della catena polipeptidica dopo la sintesi. Esportazione delle proteine.
Meccanismi biochimici di trasduzione del segnale
Recettori di membrana: classificazione. Recettori a sette segmenti transmembrana, recettori catalitici, recettori ionotropici. Le proteine G e vie di trasduzione del segnale da essi attivate. Proteine chinasi e proteine fostafasi. Meccanismi di amplificazione e di modulazione del segnale. Recettori intracellulari: struttura e funzione. Concetto di ormone e neurotrasmettitore. Analisi delle caratteristiche biochimiche (struttura, metabolismo e vie di trasduzione del segnale attivate) delle seguenti sostanze: insulina, glucagone, catecolamine, ormoni tiroidei, ormoni steroidei (glucocorticoidi, mineralcorticoidi, androgeni, estrogeni, progestinici), acido retinoico, fattori di crescita, NO e vitamina D.
Biochimica sistematica umana
Biochimica del fegato, del rene, del muscolo, del cuore, del tessuto adiposo, del sistema nervoso e del sangue.
Analisi delle proteine
Tecniche cromatografiche: cromatografia a scambio ionico, per filtrazione e per affinità. Elettroforesi su gel di SDS. Elettroforesi bidimensionale. Spettrometria di massa per l’identificazione delle proteine. Metodi per lo studio delle interazioni tra proteine: doppio ibrido, phage display. Tecniche immunologiche: Western blotting, ELISA, immunoistochimica.
Analisi del DNA
Breve storia della Biologia Molecolare. Esperimenti di Griffith, di Avery, di Hershey e Chase per l’identificazione del DNA come depositario dell’informazione genetica. Modello della doppia elica del DNA di Watson e Crick. Collocazione temporale della messa a punto delle principali metodiche utilizzate in Biologia Molecolare. Impatto della Biologia Molecolare in Medicina. Tecnologia del DNA ricombinante: clonaggio in cellule batteriche, tipi di vettori utilizzati (plasmidi, fagi, cosmidi, BAC, YAC, MAC): Sistemi di clonaggio per studiare l’espressione genica. Ibridazione di acidi nucleici: principi e applicazioni. Costruzione di librerie genomiche, a cDNA e di espressione, vaglio delle genoteche (utilizzo di sonde degenerate, sonde EST, anticorpi). PCR (Polymerase Chain Reaction), PCR-RFLP (Restriction Fragment Lenght Polymorphism), PCR-ARMS (Amplification Refractory Mutation System), PCR-SSCP (Single Strand Conformation Polymorphism), Real-time PCR. Metodi di sequenziamento del DNA: metodo di Sanger manuale ed automatizzato. Next generation sequencing: tecnologia pyrosequencing, Illumina e ABI solid.
Genoma Umano
Organizzazione ed obiettivi del Progetto Genoma Umano. Il mappaggio del genoma: mappe genetiche e fisiche. Sequenziamento e annotazione del genoma: approccio gerarchico (top down) e approccio shotgun. Identificazione dei geni: il sequenziamento delle EST (Expressed Sequence Tags), la ricerca delle ORF (Open Reading Frames). Identificazione degli elementi funzionali presenti nella sequenza del Genoma Umano: progetto ENCODE. Caratteristiche delle sequenze genomiche (sequenze uniche, ripetute e polimorfiche).
Variabilità del genoma
I polimorfismi genetici (VNTR, SNP, CNV). I polimorfismi come fattori di suscettibilità genetica a malattie complesse o come responsabili della diversa risposta ai trattamenti con i farmaci. Studi di associazione per l’identificazione di fattori di rischio polimorfici. Identificazione dei principali aplotipi umani: progetto HAPMAP e progetto 1000 GENOMES. La tipizzazione del DNA: utilizzo dei microsatelliti come marcatori per l’identificazione forense dei campioni di DNA (DNA fingerprinting). Forensic DNA phenotyping. Profilo genetico e comportamento violento, nuove implicazioni della genetica in ambito forense.
Analisi dell’RNA
Northern blotting. Ibridazione in situ. Saggio di protezione dalla RNAsi. RT-PCR (Reverse Trascrittasi-PCR). Real-time PCR a partire da RNA. Analisi del trascrittoma: microarray a DNA (principio e metodi). RNAseq.
Studio della funzione dei geni nell’era postgenomica
Studi di espressione genica differenziale. Correlazioni genotipo-fenotipo. Inattivazione o modificazione selettiva dei geni. Creazione ed utilizzo di organismi geneticamente modificati per lo studio della funzione dei geni (animali transgenici, knockout, knockin, knockdown, knockout condizionali). Identificazione di geni-malattia.
Terapia genetica
Farmaci, proteine e vaccini ricombinanti. Cellule staminali e loro impieghi terapeutici. Principi di terapia genica: vettori virali, RNA e oligonucleotidi terapeutici. Successi e insuccessi della terapia genica. L’editing del DNA con il sistema CRISPR-Cas9.
Protein structure. Enzyme function and oxygen trasnporting molecules. Structure and function of lipids and carbohydrates. Structure and function of nucleic acids. General principles of metabolism. Detailed analysis of the metabolic pathways in glucose, lipid, nucleotide and amino acid metabolism. DNA replication and reparation, gene structure, and genome organization. Translation, post-translational modifications, and regulation of gene expression. Protein synthesis and its regulation. Molecular mechanism of signal trasnduction. Basic techniques in biochemistry and molecular biology.
PROGRAM OF THE BIOCHEMISTRY MODULE OF THE INTEGRATED COURSE OF BIOCHEMISTRY AND MOLECULAR BIOLOGY
Proteins Protein classification and function. Primary structure of proteins. Properties of the peptide bond. Secondary structure of proteins (alpha-helix, beta-structure): properties and bonds that stabilize it. Examples of fibrous proteins. Tertiary structure of proteins and bonds that stabilize it. Supersecondary structures and domains. Quaternary structure of proteins. Examples of monomeric and polymeric proteins. Denaturation and renaturation of proteins. Proteins as electrolytes. Oxygen carrying proteins: myoglobin and hemoglobin. Structure of heme and heme-globin ratio. The bond of oxygen to heme. Variations in the tertiary and quaternary structure induced by the bond with oxygen. Oxygenation curves of myoglobin and hemoglobin. Bohr effect. Molecular basis of CO toxicity. Fetal hemoglobins. Methemoglobin. Enzymes and coenzymes Enzymes: definition, nature, nomenclature and classification. Mechanisms of enzymatic catalysis. Enzyme kinetics: theory of Michaelis and Menten. The equation of Michaelis and Menten: Km and Vmax. Determination of enzymatic activity, definition of enzymatic unit. Factors that influence enzymatic activity. Enzyme inhibition. Regulation of enzymatic activity. Multienzymatic systems. Isoenzymes. Concept of coenzyme and the relationship between coenzymes and water-soluble vitamins. Carbohydrates Monosaccharides, disaccharides and polysaccharides. Aldonic, saccharic and uronic acids. Glycoproteins and proteoglycans. Lipids Various types of lipids. Saturated, unsaturated and branched fatty acids. Essential fatty acids. Eicosanoids. Stereoisomerism of glycerides. Triacylglycerols. Phosphoglycerides and phosphatidic acid. Sphingolipids. Sterols and steroids: cholesterol, bile acids and derivatives. Nucleotides and introduction to metabolism Meaning and structure of ribonucleotides and deoxyribonucleotides. Nucleosides di- and triphosphates. ATP and other high energy hydrolysis compounds. Concept of metabolism: catabolism and anabolism. Exergonic and endoergonic reactions. Coupled reactions. Central role of ATP in energy metabolism. The hydrolytic and oxidative stages of catabolism. Structure and function of pyridine and flavin coenzymes. Synthesis of monomers and polymers. Relationships between anabolism and catabolism. Carbohydrate metabolism Utilization and role of glucose in metabolism. Reactions of glycolysis. The metabolic fates of pyruvate. General reaction of glycolysis. Regulation of glycolysis. Gluconeogenesis and its regulation. Substrates of gluconeogenesis. Role of glycogen. Glycogenolysis and glycogenosynthesis. Glycogen phosphorylase and glycogen synthase as models of interconvertible enzymes. Regulation of glycogen metabolism. Utilization and synthesis of sugars other than glucose (galactose, fructose, pentosis). Oxidative processes: Krebs cycle and pentose phosphate pathway Oxidative decarboxylation of pyruvate. Structure, mechanism of action and regulation of pyruvate dehydrogenase. The coenzymes involved in the oxidation of pyruvate and in the Krebs cycle. Krebs cycle reactions and enzymes. Global reaction, energy yield and regulation. Biosynthetic role of the Krebs cycle. Role of the pentose pathway in the genesis of NADPH and sugars at 4, 5, 7 carbon atoms. Reactions and their regulation. Role of NADPH in metabolism.
Electron transport and oxidative phosphorylation The constituents of the respiratory chain: organization in complexes, redox potentials. The flavoproteins. Coenzyme Q. Cytochromes a, b, c. The respiratory chain: structure and function of complexes I, II, III and IV. Molecular mechanism of oxidative phosphorylation. Regulation of the respiratory chain and oxidative phosphorylation. Inhibitors of the respiratory chain and oxidative phosphorylation; decoupling agents. Transport of electrons from the cytoplasm to the mitochondrion (shuttle systems). Transport of the ATP formed in the mitochondrion. Other enzymes that use oxygen: oxygenase, oxidase, peroxidase. Mechanism of hydroxylation and role of cytochrome P450. Reactive oxygen species (ROS): chemical nature and biochemical mechanisms of cell damage. Enzymatic and non-enzymatic defense systems. Lipid metabolism Oxidation of fatty acids: function, activation, mitochondrial transport and beta-oxidation. Carnitine. Energy yield. Peroxisomal beta-oxidation; catabolism of unsaturated fatty acids, with odd number of carbon atoms and branched. Formation and fate of propionyl-CoA. Formation of ketone bodies and their use. Palmitate synthesis: reactions, enzymes and regulation. Elongation and unsaturation of acyls. Synthesis and degradation of triglycerides, phosphoglycerides and sphingolipids. Eicosanoid metabolism. Synthesis of cholesterol and its regulation. Cholesterol esters. Metabolism and role of bile acids. Transport of lipids in the blood. Classification, structure, function of plasma lipoproteins. Biochemical aspects of membrane transport. Metabolism of amino acids Protein digestion: protease, endo and exopeptidases. Intracellular degradation of proteins: lysosomal degradation and the ubiquitin system. Metabolic fate of amino acids. Essential amino acids. Transamination and deamination reactions and their role. Reaction and regulation of glutamate dehydrogenase. Decarboxylation of amino acids and polyamines. Metabolic fate of NH3. Reactions and regulation of the urea cycle. Correlation between the urea cycle and the Krebs cycle. Gluco and lipogenetic amino acids. The main coenzymes of nitrogen metabolism. Porphyrins. Synthesis and catabolism of heme. Formation of aminolevulinic acid and regulation. Biliary pigments (origin, conjugation and excretion). Metabolism of nucleotides and nucleic acids De novo synthesis of purine nucleotides: origin of the purine ring atoms; general reaction, energy demand and regulation. PRPP formation and its use in the synthesis of purine and pyrimidine nucleotides. Summary of the AMP and GMP from IMP. Adjustment. Phosphorylation reactions of purine and pyrimidine mono- and diphosphates nucleosides. Reuse of purine bases and nucleosides. Catabolism of purine nucleotides to uric acid. Synthesis of pyrimidine nucleotides: origin of the pyrimidine ring atoms, general reaction, energy demand and regulation. Catabolism of pyrimidine nucleotides. Synthesis of deoxyribonucleotides and its regulation. DNA: the DNA helix and the forces that stabilize it. Interactions between DNA and proteins. DNA replication in prokaryores and eukaryotes: enzymes involved and biochemical mechanisms that ensure the fidelity of replication. Types of RNA and their structure. Ribozymes and RNA catalysis. RNA synthesis (transcription) in prokaryotes and eukaryotes: RNA polymerase, general and specific transcription factors, co-activators. Post-transcriptional modifications of RNA (alternative splicing, RNA editing and regulation by microRNA). The turnover of RNA. Protein synthesis Enzymology and regulation of protein synthesis. RNA transfer and their aminoacylation. Interactions between ribosomes, mRNA, tRNA and soluble factors of protein synthesis. Speed and energy demand for synthesis. Acquisition of the three-dimensional structure. Modifications of the polypeptide chain after synthesis. Export of proteins.
Biochemical mechanisms of signal transduction Membrane receptors: classification. 7-segment transmembrane receptors, catalytic receptors, ionotropic receptors. G proteins and the signal transduction pathways activated by them. Protein kinase and protein phostaphase. Signal amplification and modulation mechanisms. Intracellular receptors: structure and function. Concept of hormone and neurotransmitter. Analysis of the biochemical characteristics (structure, metabolism and activated signal transduction pathways) of the following substances: insulin, glucagon, catecholamines, thyroid hormones, steroid hormones (glucocorticoids, mineralocorticoids, androgens, estrogens, progestogens), retinoic acid, growth factors, NO and vitamin D. Human systematic biochemistry Biochemistry of the liver, kidney, muscle, heart, adipose tissue, nervous system and blood.
PROGRAM OF THE MOLECULAR BIOLOGY MODULE OF THE INTEGRATED COURSE OF BIOCHEMISTRY AND MOLECULAR BIOLOGY
Introduction. Brief history of Molecular Biology. Griffith, Avery, Hershey and Chase experiments for the identification of DNA as a repository of genetic information. Watson and Crick DNA double helix model. Timing of the development of the main methods used in Molecular Biology. Impact of Molecular Biology in Medicine. DNA analysis. Recombinant DNA technology: cloning in bacterial cells, types of vectors used (plasmids, phages, cosmids, BAC, YAC, MAC): Cloning systems to study gene expression. Hybridization of nucleic acids: principles and applications. Construction of genomic, cDNA and expression libraries, screening of the library (use of degenerate probes, EST probes, antibodies). PCR (Polymerase Chain Reaction), PCR-RFLP (Restriction Fragment Lenght Polymorphism), PCR-ARMS (Amplification Refractory Mutation System), PCR-SSCP (Single Strand Conformation Polymorphism), Real-time PCR. DNA sequencing methods: manual and automated Sanger method. Next generation sequencing: pyrosequencing technology, Illumina and ABI solid. Human Genome: Organization and objectives of the Human Genome Project. Genome mapping: genetic and physical maps. Genome sequencing and annotation: hierarchical (top down) and shotgun approaches. Gene identification: EST (Expressed Sequence Tags) sequencing, search for ORFs (Open Reading Frames). Identification of functional elements present in the sequence of the Human Genome: ENCODE project. Characteristics of genomic sequences (unique, repeated and polymorphic sequences). Variability of the genome. Genetic polymorphisms (VNTR, SNP, CNV). Polymorphisms as genetic susceptibility factors to complex diseases or as responsible for the different response to drug treatments. Association studies for the identification of polymorphic risk factors. Identification of the main human haplotypes: HAPMAP project and 1000 GENOMES project. DNA typing: use of microsatellites as markers for the forensic identification of DNA samples (DNA fingerprinting). Forensic DNA phenotyping. Genetic profile and violent behavior, new implications of genetics in the forensic field. RNA analysis. Northern blotting. In situ hybridization. RNase protection assay. RT-PCR (Reverse Transcriptase-PCR). Real-time PCR starting from RNA. Transcriptome analysis: DNA microarray (principle and methods). RNAseq. Study of the function of genes in the postgenomic era. Differential gene expression studies. Genotype-phenotype correlations. Inactivation or selective modification of genes. Creation and use of genetically modified organisms for the study of the function of genes (transgenic animals, knockout, knockin, knockdown, conditional knockout). Identification of disease genes. Gene therapy. Recombinant drugs, proteins and vaccines. Stem cells and their therapeutic uses. Principles of gene therapy: viral vectors, RNA and therapeutic oligonucleotides. Gene therapy successes and failures. Protein analysis. Chromatographic techniques: ion exchange, filtration and affinity chromatography. SDS gel electrophoresis. Two-dimensional electrophoresis. Mass spectrometry for the identification of proteins. Methods for the study of protein interactions: double hybrid, phage display. Immunological techniques: Western blotting, ELISA, immunohistochemistry.
Libri di testo consigliati
Nelson D.L., Cox M.M.: “I Principi di Biochimica di Lehninger”, VII edizione, Zanichelli 2014.
Voet D., Voet J.G., Pratt C.W.: “Fondamenti di Biochimica”, III edizione, Zanichelli 2013.
Mathews C.K., Van Holde K.E., Ahern K.G.: “Biochimica”, edizione Piccin 2014.
Genetica molecolare umana. T. Strachan, A. Read. ZANICHELLI
Introduzione alla Genomica. A.M. Lesk ZANICHELLI
Biologia Molecolare. F Amaldi et al. CASA EDITRICE AMBROSIANA
L’essenziale di Biologia Molecolare della Cellula B. Alberts et al. ZANICHELLI
All the fundamental topics are dealt with during the course. It is recommended that students integrate their preparation using one of the interational standard textbooks, for instance: Voet, Voet & Pratt: Foundamental of Biochemistry Nelson, Cox: Principles of Biochemistry Mathews, Van holde, Ahern: Biochemistry
Mathews C.K., Van Holde K.E., Ahern K.G .: “Biochimica”, Piccin edition 2014. Human molecular genetics. T. Strachan, A. Read. ZANICHELLI Introduction to Genomics. A.M. Lesk ZANICHELLI Molecular Biology. F Amaldi et al. AMBROSIANA PUBLISHING HOUSE The essentials of Molecular Biology of the B Cell. Alberts et al. ZANICHELLI
Non ci sono indicazioni specifiche per gli student non frequentanti in quanto la frequenza ai corsi è obbligatoria.
There are no specific indications for non-attending students, as attendance to the courses is mandatory.
La verifica finale per valutare il livello di conoscenza acquisita si svolge con un esame scritto della durata massima di 3h, nel corso del quale vengono rivolte al/alla candidato/a una serie di domande su argomenti di biochimica strutturale e funzionale, e di biologia molecolare.
La verifica dell'apprendimento consiste in una prova unica relativa al modulo di Biochimica e di Biologia Molecolare. L’esame scritto è composto da varie domande, rappresentate da quesiti a risposta multipla e quesiti a risposta aperta, relativi a tutti gli obiettivi formativi definiti precedentemente. Le domande saranno predisposte in modo da accertare le conoscenze della biochimica e della biologia molecolare. Al fine di verificare le capacità applicative acquisite dallo studente sarà richiesta la soluzione di problemi e semplici casi con particolare riferimento ai processi dell’organismo umano, alle proprietà delle molecole biologiche e alla comprensione delle reazioni biochimiche. Non sarà prevista alcuna penalizzazione per risposte non corrette o non date. La valutazione finale (espressa in trentesimi) sarà concordata con i docenti coinvolti nell'insegnamento. La durata dell'intera prova sarà maggiorata per gli studenti con “Disturbo Specifico di Apprendimento". Il punteggio finale è attribuito in trentesimi: la prova viene considerata superata con un punteggio minimo di 18/30, il massimo è 30 e lode.
La prova viene ritenuta superata quando il candidato/a dimostra:
Contextual written final exam.
Non sono previste forme di stage, tirocini o collaborazioni con terzi durante lo svolgimento del
corso
There is not work placement.
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RICEVIMENTO STUDENTI
I docenti ricevono su appuntamento preso via e-mail o per telefono.
