ECTS - University of Pisa
Scheda programma d'esame
BIOCHEMISTRY
SIMONE ALLEGRINI
Academic year2023/24
CourseNATURAL AND ENVIRONMENTAL SCIENCES
Code091EE
Credits6
PeriodSemester 2
LanguageItalian

ModulesAreaTypeHoursTeacher(s)
BIOCHIMICABIO/10LEZIONI48
SIMONE ALLEGRINI unimap
Obiettivi di apprendimento
Learning outcomes
Conoscenze

Al termine del corso lo studente avrà acquisito:

  • conoscenze biochimiche dai principi di base della biochimica generale alle vie metaboliche principali
  • conoscenze sui principi di base della biologia molecolare
  • capacità di correlare le caratteristiche strutturali di proteine ed enzimi alla loro funzione biologica

 
Knowledge

Students are expected to acquire: -knowledge on biochemistry starting from basic principles of general biochemistry to main metabolic pathways; -knowledge on basic principles of molecular biology; -ability to correlate the knowledge of general features of proteins and enzymes with their cellular function, regulation and location in the cells or organs.
Modalità di verifica delle conoscenze

Nella prova d'esame allo studente verrà chiesto di scrivere la formula di un tripeptide. L'esame proseguirà con una verifica orale in cui lo studente deve dimostrare la sua conoscenza sugli argomenti trattati nel corso, deve essere in grado di discutere su diverse tematiche utilizzando la terminologia appropriata e mostrare la conoscenza delle formule di struttura delle molecole studiate nei vari argomenti del corso.

 
Assessment criteria of knowledge

During the oral exam the student must be able to demonstrate his/her knowledge of the course material and be able to discuss different subjects using the appropriate terminology.

 
Capacità

Al termine del corso lo studente avrà acquisito:

  • conoscenze biochimiche a partire dai principi di base della biochimica generale fino alle vie metaboliche principali
  • conoscenze sui principi di base della biologia molecolare
  • capacità di correlare le caratteristiche strutturali di proteine ed enzimi alla loro funzione cellulare

 
Skills

Students are expected to acquire: -knowledge on biochemistry starting from basic principles of general biochemistry to main metabolic pathways; -knowledge on basic principles of molecular biology; -ability to correlate the knowledge of general features of proteins and enzymes with their cellular function, regulation and location in the cells or organs.
Modalità di verifica delle capacità

Al termine del corso lo studente sarà sottoposto alla prova d'esame finale (orale) nella quale deve dimostrare la sua conoscenza sulle materie trattate nel corso e deve essere in grado di discutere su diverse tematiche utilizzando la terminologia appropriata

Si ricorda che in questo corso  gli studenti avranno la possibilità di sostenere l'esame soltanto 4 volte durante un anno accademico

 
Assessment criteria of skills

During the oral exam the student must be able to demonstrate his/her knowledge of the course material and be able to discuss different subjects using the appropriate terminology.

Please note that in this course students will have the opportunity to take the exam only 4 times during an academic year

 
Comportamenti

Lo studente potrà acquisire:

  • una visione molecolare dei meccanismi cellulari
  • uso di terminologia appropriata per descrivere fenomeni biologici
Behaviors

Students are expected to acquire:

  • a molecular view of cellular mechanisms
  • appropriate terminology to describe biological phenomena
Modalità di verifica dei comportamenti

Al termine del corso lo studente sarà sottoposto alla prova d'esame finale (orale) nella quale deve dimostrare la sua conoscenza sulle materie trattate nel corso e deve essere in grado di discutere su diverse tematiche utilizzando la terminologia appropriata
Assessment criteria of behaviors

During the oral exam the student must be able to demonstrate his/her knowledge of the course material and be able to discuss different subjects using the appropriate terminology.

 
Prerequisiti (conoscenze iniziali)

Lo studente dovrà avere le conoscenze di chimica generale ed organica e dell'esame di Biologia Generale e Genetica.

In particolare risulteranno "ESSENZIALI" per poter comprendere gli argomenti e sostenere con successo l'esame i seguenti argomenti trattati nei suddetti corsi (senza, OVVIAMENTE, trascurare gli altri argomenti dei suddetti esami!):

  • LEGAME CHIMICO: covalente, ionico, interazioni dipolari, legame a idrogeno e forze di Van Der Waals. 
  • La "POLARITA'" dei legami chimici (elettronegatività degli elementi)
  • TERMODINAMICA: 1° principio - Entalpia. Reazioni esotermiche ed endotermiche. 2° e 3° principio - Entropia. Reazioni energia libera di Gibbs e spontaneità di una reazione.
  • Cinetica Chimica – Concetto di Velocità di una reazione e ordine di reazione. Equazione di Arrhenius e concetto di energia di attivazione. Costanti di velocità delle reazioni
  • Reazioni di ossidoriduzione
  • L'equilibrio chimico. Natura dinamica dell’equilibrio. Legge di azione di massa
  • L'equilibrio di dissociazione dell'acqua. La scala del pH. Calcolo del pH. Gli acidi e le basi: forti e deboli. La Ka e il pKa per esprimere e comprendere la forza di un acido. 
  • Curve di titolazione acido/base
  • Concentrazioni (M, mM etc..)
  • Carboidrati: nomenclatura, struttura e funzione. Aldosi e chetosi. Emiacetale e emichetale.
  • La permeazione semplice attraverso le membrane. I sistemi di trasporto. Il trasporto passivo facilitato, il trasporto attivo. I canali. Aspetti strutturali e cinetici. Esempi dei vari tipi di trasporto.
  • Le basi puriniche e pirimidiniche. I nucleosidi ed i nucleotidi. Il legame fosfodiestere negli acidi nucleici, l'accoppiamento delle basi, lo stacking tra le basi. La struttura del DNA e RNA.
Prerequisites

The student must have knowledge of general and organic chemistry and the General Biology and Genetics exam.

In particular, the following topics covered in the aforementioned courses will be "ESSENTIAL" in order to understand the topics and successfully take the exam (without, OBVIOUSLY, neglecting the other topics of the aforementioned exams!):

  • CHEMICAL BONDING: covalent, ionic, dipolar interactions, hydrogen bonding and Van Der Waals forces.
  • The "POLARITY" of chemical bonds (electronegativity of elements)
  • THERMODYNAMICS: 1st principle - Enthalpy. Exothermic and endothermic reactions. 2nd and 3rd principles - Entropy. Gibbs free energy reactions and spontaneity of a reaction.
  • Chemical Kinetics – Concept of reaction rate and reaction order. Arrhenius equation and concept of activation energy. Reaction rate constants
  • Oxidation-reduction reactions
  • The chemical equilibrium. Dynamic nature of equilibrium. Law of mass action
  • The dissociation equilibrium of water. The pH scale. Calculation of pH. Acids and bases: strong and weak. Ka and pKa to express and understand the strength of an acid.
  • Acid/base titration curves
  • Concentrations (M, mM etc..)
  • Carbohydrates: nomenclature, structure and function. Aldoses and ketosis. Hemiacetal and hemiacetal.
  • Simple permeation through membranes. Transport systems. Facilitated passive transport, active transport. Channels. Structural and kinetic aspects. Examples of the various types of transport.
  • The purine and pyrimidine bases. Nucleosides and nucleotides. The phosphodiester bond in nucleic acids, base pairing, stacking between bases. The structure of DNA and RNA.
Teaching methods

Delivery: face to face

Learning activities:

  • attending lectures

Attendance: Advised

Teaching methods:

  • Lectures
Programma (contenuti dell'insegnamento)

Programma dettagliato:

  • I sistemi tampone biologici: fosfato inorganico, bicarbonato e proteine.
  • Suddivisione amminoacidi in base alla natura della catena R. Proprietà ottiche degli amminoacidi. Proprietà acido-base degli amminoacidi. pKa e pI. Il legame peptidico. Angoli phi e psi. Diagramma di Ramachandran
  • Struttura primaria, secondaria, terziaria e quaternaria delle proteine: definizione. Alfa-elica. Foglietto beta parallelo e antiparallelo. Ripiegamento beta. Proteine fibrose e proteine globulari. Esempi di proteine fibrose: Alfa-cheratina, tripla elica del collageno e fibroina della seta.
  • Fattori stabilizzanti la struttura terziaria delle proteine; forze idrofobiche, legami a idrogeno, ponti ionici, ponti disolfuro, ioni metallici e forze di Van der Waals. Esperimento di Anfinsen. Gruppo EME. Istidina prossimale e istidina distale. Struttura terziaria della mioglobina e della emoglobina. Struttura quaternaria dell'emoglobina
  • Proteine allosteriche. Stato T e Stato R della emoglobina. Legame cooperativo dell'ossigeno all'emoglobina. Curva di saturazione di mioglobina e emoglobina.
  • Meccanismo molecolare dell'effetto Bohr. 2,3 bisfosfoglicerato (2,3BPG) ed emoglobina. Adattamento all'altitudine. 2,3BPG ed emoglobina fetale.
  • Caratteristiche generali degli enzimi. Energia di attivazione e stato di transizione.
  • Effetto entropico e adattamento indotto. Catalisi acido-basica generale, catalisi covalente e da ioni metallici. Il concetto di V0 e V0 in funzione di concentrazione del substrato. Concetto di Vmax. Derivazione equazione di Michaelis-Menten.
  • Teoria dello stato stazionario. Equazione di Michaelis e Menten. Significato di Km, kcat e kcat/Km. Lineorizzazione di Lineweaver–Burk. Inibizione irreversibile e reversibile. Inibizione competitiva, incompetitiva e mista (non competitiva).
  • Effetto del pH sull'attività enzimatica. Enzimi allosterici: concetto di cooperatività positiva e negativa. Esempi di modificazione covalente di enzimi. Concetto di cascata enzimatica e di amplificazione.
  • Gli acidi grassi, struttura e nomenclatura. I lipidi, proprietà chimico fisiche di miscele di lipidi. Fattori determinanti per la fluidità delle membrane biologiche. I fosfolipidi di membrana, struttura delle membrane biologiche.
  • Trasportatori per il glucosio. 
  • Biosegnalazione. Recettori a 7 eliche. Proteine Gs. Adenilato ciclasi. cAMP. PKA. Recettori tirosin chinasici: meccanismo di autofosforilazione ed innesco cascata enzimatica.
  • Oligosaccaridi e polisaccaridi. Struttura di cellulosa, amido e glicogeno.
  • Introduzione al metabolismo: catabolismo e anabolismo.
  • Struttura e ruolo di NAD e NADP. ATP: struttura. ATP e altri composti fosforilati. Reazioni accoppiate.
  • Le reazioni della glicolisi da glucosio a piruvato. Bilancio della glicolisi.
  • Utilizzo del piruvato in condizioni di anaerobiosi; fermentazione lattica e fermentazione alcolica. Gluconeogenesi. Bilancio energetico della gluconeogenesi. Ciclo di Cori.
  • Regolazione di glicolisi e gluconeogenesi: glucosio-6-fosfatasi, esochinasi. Esochinasi I e glucochinasi. Regolazione allosterica di Fruttosio 1,6 bisfosfatasi, PFK-1, Piruvato carbossilasi e piruvato chinasi. Fruttosio 2,6 BP. Regolazione di enzima bifunzionale. Regolazione ormonale di piruvato chinasi, PFK-1 e FBPasi-1.
  • Metabolismo del glicogeno. Degradazione del glicogeno: glicogeno fosforilasi e enzima deramificante.
  • Sintesi di UDP-glucosio. Sintesi di glicogeno: glicogeno sintasi e Glicogenina. Regolazione allosterica e covalente di glicogeno fosforilasi. Regolazione di fosforilasi chinasi. Regolazione covalente di glicogeno sintasi. Regolazione di proteina fosfatasi-1: inibitore-1 e proteina G (legante il glicogeno). Effetto di glucagone, adrenalina e insulina.
  • Formazione di acetil-CoA da piruvato: il complesso della piruvato deidrogenasi. Meccanismo della reazione catalizzata dal complesso della piruvato deidrogenasi: funzioni di TPP, Acido lipoico, CoA-SH, NAD e FAD. Le reazioni del ciclo di Krebs. Bilancio del ciclo di Krebs. Reazioni anaplerotiche.
  • Regolazione di piruvato deidrogenasi. Regolazione di citrato sintasi, isocitrato deidrogenasi e alfa-chetoglutarato deidrogenasi. Potenziale di riduzione e variazione di energia libera. Mitocondri. Fosforilazione ossidativa: la catena di trasporto degli elettroni. NADH-CoQ reduttasi: FMN, centri Fe-S, Ubichinone.
  • Succinato CoQ reduttasi. CoQH2 citocromo c reduttasi. Cenni sul ciclo di CoQ nel Complesso III. Citocromo ossidasi. La teoria chemiosmotica. Agenti disaccoppianti. ATP sintetasi. Componente Fo e F1.
  • Catalisi rotazionale. Sistema navetta malato-aspartato e del glicerolofosfato. Regolazione della catena respiratoria. Inibitore IF1. Bilancio completa ossidazione glucosio. 
Syllabus
  • Biological buffes: inorganic phosphate, bicarbonate and proteins.
  • Subdivision of amino acids based on the nature of the R chain. Optical properties of amino acids. Acid-base properties of amino acids. pKa and pI. The peptide bond. Phi and psi angles. Ramachandran diagram
  • Primary, secondary, tertiary and quaternary structure of proteins: definition. Alpha-helix. Parallel and antiparallel beta sheet. Beta turn. Fibrous proteins and globular proteins. Examples of fibrous proteins: Alpha-keratin, collagen triple helix and silk fibroin.
  • Factors stabilizing the tertiary structure of proteins; hydrophobic forces, hydrogen bonds, ion bridges, disulfide bridges, metal ions and Van der Waals forces. Anfinsen experiment. EME Group. Proximal histidine and distal histidine. Tertiary structure of myoglobin and hemoglobin. Quaternary structure of hemoglobin.
  • Allosteric proteins. T state and R state of hemoglobin. Cooperative binding of oxygen to hemoglobin. Saturation curve of myoglobin and hemoglobin.
  • Molecular mechanism of the Bohr effect. 2,3 bisphosphoglycerate (2,3BPG) and hemoglobin. Altitude adaptation. 2,3BPG and fetal hemoglobin.
  • General characteristics of enzymes. Activation energy and transition state.
  • Entropy effect and induced adaptation. General acid-base catalysis, covalent and metal ion catalysis. The concept of V0 and V0 as a function of substrate concentration. Vmax concept. Derivation of the Michaelis-Menten equation.
  • Steady state theory. Michaelis and Menten equation. Meaning of Km, kcat and kcat/Km. Lineweaver–Burk linearization. Irreversible and reversible inhibition. Competitive, incompetitive and mixed (non-competitive) inhibition.
  • Effect of pH on enzymatic activity. Allosteric enzymes: concept of positive and negative cooperativity. Examples of covalent modification of enzymes. Concept of enzymatic cascade and amplification.
  • Fatty acids, structure and nomenclature. Lipids, chemical-physical properties of lipid mixtures. Determinant factors for the fluidity of biological membranes. Membrane phospholipids, structure of biological membranes.
  • Glucose transporters.
  • Biosignaling. 7-helix receptors. Gs proteins. Adenylate cyclase. cAMP. PKA. Tyrosine kinase receptors: mechanism of autophosphorylation and triggering of the enzymatic cascade.
  • Oligosaccharides and polysaccharides. Structure of cellulose, starch and glycogen.
  • Introduction to metabolism: catabolism and anabolism.
  • Structure and role of NAD and NADP. ATP: structure. ATP and other phosphorylated compounds. Coupled reactions.
  • The reactions of glycolysis from glucose to pyruvate. Glycolysis balance.
  • Use of pyruvate in anaerobic conditions; lactic fermentation and alcoholic fermentation. Gluconeogenesis. Energy balance of gluconeogenesis. Cori cycle.
  • Regulation of glycolysis and gluconeogenesis: glucose-6-phosphatase, hexokinase. Hexokinase I and glucokinase. Allosteric regulation of Fructose 1,6 bisphosphatase, PFK-1, Pyruvate carboxylase and pyruvate kinase. Fructose 2,6 BP. Bifunctional enzyme regulation. Hormonal regulation of pyruvate kinase, PFK-1 and FBPase-1.
  • Glycogen metabolism. Glycogen degradation: glycogen phosphorylase and debranching enzyme.
  • Synthesis of UDP-glucose. Glycogen synthesis: glycogen synthase and glycogenin. Allosteric and covalent regulation of glycogen phosphorylase. Regulation of phosphorylase kinase. Covalent regulation of glycogen synthase. Regulation of protein phosphatase-1: inhibitor-1 and protein G (glycogen binding). Effect of glucagon, adrenaline and insulin.
  • Formation of acetyl-CoA from pyruvate: the pyruvate dehydrogenase complex. Mechanism of the reaction catalyzed by the pyruvate dehydrogenase complex: functions of TPP, lipoic acid, CoA-SH, NAD and FAD. The reactions of the Krebs cycle. Balance of the Krebs cycle. Anaplerotic reactions.
  • Regulation of pyruvate dehydrogenase. Regulation of citrate synthase, isocitrate dehydrogenase and alpha-ketoglutarate dehydrogenase. Reduction potential and free energy variation. Mitochondria. Oxidative phosphorylation: the electron transport chain. NADH-CoQ reductase: FMN, Fe-S centers, Ubiquinone.
  • Succinate CoQ reductase. CoQH2 cytochrome c reductase. Notes on the CoQ cycle in Complex III. Cytochrome oxidase. The chemiosmotic theory. Uncoupling agents. ATP synthetase. Fo and F1 component.
  • Rotational catalysis. Malate-aspartate and glycerolphosphate shuttle system. Regulation of the respiratory chain. IF1 inhibitor. Complete glucose oxidation balance.
Bibliografia e materiale didattico

I principi di biochimica di Lehninger (VII °ed)- Autori: D.L. Nelson, M.M. Cox - Editore Zanichelli - ISBN: 9788808920690

e/o

ISBN 8808420965 Donald Voet, Judith G Voet, Charlotte W Pratt Fondamenti di biochimica 4° edizione -2017 - Zanichelli

e/o

ISBN 8808198731 Jeremy Berg, John Tiymoczko, Lubert Stryer Biochimica Settima edizione 2012 Zanichelli

e/o

ISBN 9781319114657 Jeremy Berg, John Tiymoczko, Lubert Stryer Biochemistry (english edition), 9th Edition 2019, MacMillan, https://www.macmillanihe.com/page/detail/biochemistry/?k=9781319114657&loc=uk&priceCode=nl
Bibliography

I principi di biochimica di Lehninger (VII °ed)- Autori: D.L. Nelson, M.M. Cox - Editore Zanichelli - ISBN: 9788808920690

e/o

ISBN 8808420965 Donald Voet, Judith G Voet, Charlotte W Pratt Fondamenti di biochimica 4° edizione -2017 - Zanichelli

e/o

ISBN 8808198731 Jeremy Berg, John Tiymoczko, Lubert Stryer Biochimica Settima edizione 2012 Zanichelli

e/o

ISBN 9781319114657 Jeremy Berg, John Tiymoczko, Lubert Stryer Biochemistry (english edition), 9th Edition 2019, MacMillan, https://www.macmillanihe.com/page/detail/biochemistry/?k=9781319114657&loc=uk&priceCode=nl
Modalità d'esame

L'esame è composto da una prova orale che consiste in un colloquio tra il candidato e il docente, o anche tra il candidato e altri collaboratori del docente titolare.

La prova non è superata se il candidato mostra di non essere in grado di esprimersi in modo chiaro e di usare la terminologia corretta, oppure non risponde correttamente a domande corrispondenti alla parte piú basilare del corso.

Non sono previste prove intermedie
Assessment methods

The method to ascertain the knowledge of the student consists in an oral exam between the teacher (and other cooperators of the tenured teacher) and the candidate.

In order to pass the test the candidate must be able to use the appropriate terminology and to answer the questions regarding the basic principles of the course

Mid-term evaluations are not planned
Note

MEMBRI COMMISSIONE ESAMI:

PRESIDENTE: Simone Allegrini

PRESIDENTE SUPPLENTE: Giovanni Signore

MEMBRI COMMISSIONE: Giovanni Signore, Mario Cappiello, Antonella Del Corso, Francesco Balestri, Roberta Moschini, Francesca Felice
Updated: 04/10/2023 15:02