COMPOSTI NATURALI PER L'INDUSTRIA FARMACEUTICA E AGROALIMENTARE

Il corso si propone di fornire allo studente le conoscenze essenziali sulla biosintesi, proprietà, rilevanza biologica e applicativa dei composti naturali bioattivi, inclusi alcuni esempi di sintesi industriali. Saranno fornite inoltre le conoscenze di base sulla interazione dei composti naturali con recettori ed enzimi, sul metabolismo degli xenobiotici e sul ruolo dei nutraceutici nell’alimentazione. Saranno fornite informazioni dettagliate sulle più moderne tecniche di estrazione e purificazione con una particolare attenzione alle tecniche a basso impatto ambientale. L’attività di laboratorio sarà dedicata all’estrazione e purificazione di uno e più composti naturali da prodotti vegetali facilmente reperibili.

Al termine del corso lo studente dovrà acquisire capacità di ragionamento e autonomia di giudizio sugli specifici argomenti dell’insegnamento, ed essere in grado di discutere su ciascun argomento con metodo scientifico e linguaggio appropriato.

Inoltre, in riferimento ai cosiddetti Descrittori di Dublino, questo corso contribuisce a acquisire le seguenti competenze:

D1 - Conoscenza e capacità di comprensione: Lo studente alla fine del corso acquisirà conoscenze in merito alle principali classi di composti naturali e le loro possibili applicazioni in campo farmaceutico e agroalimentare. Lo studente alla fine del corso sarà in grado di razionalizzare le correlazioni proprietà-struttura dei composti naturali e dei loro analoghi sintetici utilizzando un ragionamento induttivo e deduttivo.

D2 - Capacità di applicare conoscenza e comprensione: 

Lo studente acquisirà il metodo scientifico per studiare e comprendere le proprietà chimiche dei composti naturali e degli analoghi sintetici in relazione alla loro struttura. Lo studente sarà in grado di utilizzare le competenze acquisite per utilizzare i composti naturali o i loro analoghi sintetici per le future esigenze professionali e per la ricerca nei settori farmaceutico, nutrizionale e agroalimentare. Lo studente sarà in grado di risolvere problemi chimici inerenti la chimica dei composti naturali e sarà in grado di sviluppare progetti scientifici inerenti le tematiche del corso.

D3 - Autonomia di giudizio:  Lo studente alla conclusione del corso svilupperà autonomia di giudizio utile per poter adattare le conoscenze acquisite a diversi ambiti di lavoro e tematiche diverse. Lo studente sarà in grado di reperire informazioni su strutture, proprietà, fonti ed utilizzi dei composti naturali tramite database open access, letteratura scientifica, etc.

Lo studente alla fine del corso sarà in grado di formulare riflessioni su importanti questioni etiche o scientifiche relative all’utilizzo dei composti di origine naturale (sicurezza, sostenibilità ambientale, impatto economico, etc.). 

In merito all’attività di laboratorio, lo studente alla fine del corso sarà in grado di progettare l'attività sperimentale valutandone tempi e modalità, giudicare in modo autonomo il risultato ottenuto e di quantificarlo. Durante le attività di laboratorio dovrà dimostrare inoltre la capacità di saper lavorare in gruppo.

D4 - Abilità comunicative: Lo studente alla fine del corso sarà in grado di comunicare con proprietà di linguaggio (in italiano e in inglese) e con rigore terminologico, in merito alla chimica dei composti naturali e alle loro applicazioni, illustrandone motivazioni e risultati. 

Durante l’attività di laboratorio, lo studente dovrà imparare ad interagire con i colleghi, pianificare e gestire i tempi necessari per realizzare l’esperienza di laboratorio, lavorare sia in gruppo che in autonomia adattandosi alle diverse esperienze di laboratorio proposte dal docente.

Alla fine del corso lo studente sarà in grado di trasmettere agli studenti delle triennali le conoscenze acquisite sia in ambito teorico che sperimentale.  

D5 - Capacità di apprendimento: 

Lo studente alla fine del corso dovrà essere in grado di: 

a) individuare e consultare in modo efficace la letteratura scientifica, le banche dati specializzate e le risorse online per ottenere informazioni sui composti naturali,  strutture, attività biologiche e applicazioni.

b) acquisire autonomamente conoscenze e dati sui composti naturali, esplorando tecniche sperimentali (come estrazione, purificazione) e nuovi approcci per affrontare sfide scientifiche emergenti. Questo include anche l'autonomia nella comprensione delle problematiche relative alla sostenibilità, sicurezza e impatti ecologici, cruciali in ambito professionale e di ricerca applicata.

c) Affrontare problematiche scientifiche complesse che richiedono un approccio integrato tra chimica, biologia, ecologia, farmacologia e scienze ambientali.

d) Essere in grado di raccogliere e interpretare dati scientifici, per giustificare e difendere in modo chiaro e convincente l'importanza scientifica, sociale ed economica dei composti naturali in contesti sia specialistici (es. ricerca farmacologica) che più ampi (regolamentazione, marketing o educazione). 

Informazioni per studenti con disabilità e/o DSA

A garanzia di pari opportunità e nel rispetto delle leggi vigenti, gli studenti interessati possono chiedere un colloquio personale in modo da programmare eventuali misure compensative e/o dispensative, in base agli obiettivi didattici ed alle specifiche esigenze.

Il Corso è suddiviso in 6 CFU: 5 CFU di didattica frontale e 1 CFU di laboratorio

Il corso è articolato in:

- lezioni frontali con proiezione di diapositive in aula e discussione interattiva con gli studenti su specifici argomenti. 

- esercitazioni in laboratorio 

Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza, potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto dichiarato in precedenza, al fine di rispettare il programma previsto riportato nel Syllabus.

Buone conoscenze sulla struttura e reattività dei composti organici.

La frequenza al corso è obbligatoria, dovendo lo studente frequentare almeno il 70% del monte ore del corso sia per le lezioni frontali che per le lezioni di laboratorio (vedi regolamento didattico sezione 3.1)

Introduzione 

Rilevanza applicativa ed economica dei composti naturali. Metaboliti primari e secondari. I ‘mattoni biosintetici’. La varietà strutturale e le parentele biosintetiche fra vari gruppi di composti naturali. Analoghi e derivati semisintetici dei composti naturali.

Chimica Medica e Drug Discovery 

Composti guida, farmaci, medicine. Le origini della ‘Chimica Medica’. Drug discovery e Drug development. Metodi empirici e metodi razionali. Individuazione dei composti-guida. Cromatografia bioguidata. Farmacocinetica e farmacodinamica. Relazioni fra struttura e attività (SAR): oppioidi, paclitaxel. Lipofilicità e log P. Grafica Molecolare.

Recettori, agonisti e antagonisti 

Enzimi e malattie. Inibitori enzimatici. Inibitori reversibili e irreversibili. Inibitori competitivi, non competitivi e acompetititvi. Esempi di inibitori reversibili: sulfamidici; ACE-inibitori; statine; inibitori della 5-a-reduttasi steroidica; inibitori della AchE; inibitori della peptidil transferasi ribosomiale. Esempi di inibitori irreversibili: antibiotici b-lattamici; inibitori delle COX.

Inibitori enzimatici 

Enzimi e malattie. Inibitori enzimatici. Inibitori reversibili e irreversibili. Inibitori competitivi, non competitivi e acompetititvi. Esempi di inibitori reversibili: sulfamidici; ACE-inibitori; statine; inibitori della 5-a-reduttasi steroidica; inibitori della AchE; inibitori della peptidil transferasi ribosomiale. Esempi di inibitori irreversibili: antibiotici b-lattamici; inibitori delle COX. Agenti che interagiscono con il DNA: intercalanti e minor groove binders; inibitori delle topoisomerasi, inibitori delle DNA ed RNA polimerasi

Metabolismo degli Xenobiotici 

Xenobiotici. ADME. Enzimi di Fase I e di Fase II. Ossidazioni. Citocromo P450. Ossidrilazione di composti aromatici. Epossidazioni di alcheni. Ossidazione di carboni in a a carboni sp2. Aromatizzazione ossidativa. Dealchilazione ossidativa. CYP450 e interazione fra farmaci. Enzimi di fase II. Coniugazione col glutatione. Glucuronidazione. Solfatazione. N-acetilazione. Esterificazione con lipidi. Metilazione. Esempi di metabolismo dei farmaci.

Chemoprevenzione del cancro 

Danno ossidativo alle macromolecole biologiche. Antiossidanti. Agenti chemopreventivi. Anti-iniziatori. Anti-promotori. Antiproliferativi e induttori dell’apoptosi.

Via biogenetica dell’acetato 

Biosintesi degli acidi grassi. Acidi insaturi. Prostaglandine, trombossani e leucotrieni. Polichetidi aromatici. Biosintesi dei sistemi aromatici e accoppiamento radicalico. Principi attivi di Iperico e Senna. Aflatossine e contaminazione microbica degli alimenti. Acido micofenolico e immunosoppressori. Antibiotici macrolidici e amminoglicosidici. Antracicline. Micotossine.

Via biogenetica del mevalonato 

Terpenoidi. Emiterpenoidi. Monoterpeni irregolari: piretrine e insetticidi derivati. Monoterpenoidi: costituenti di olii essenziali e fragranze; sintesi industriali del mentolo. Oleuropeina e idrossitirosolo. Canfora. Sesquiterpenoidi: artemisinina e antimalarici.

Gossipolo. Diterpenoidi: vitamina A. Triterpenoidi; nortriterpenoidi. Carotenoidi: sintesi industriale del b-carotene. Steroidi: sintesi del progesterone e dei corticosteroidi. Cardenolidi e farmaci cardiotonici.

La via biogenetica dello shikimato e i polifenoli 

Biosintesi dell’acido shikimico e composti correlati. Acidi fenolici. Biosintesi dei fenilpropanoidi. Costituenti di olii essenziali dalle spezie. Polifenoli negli alimenti. Acido salicilico e aspirina. Oleocantale e proprietà antiinfiammatorie dell’olio d’oliva. Cumarine e dicumarolo. ccoppiamento ossidativo nella biosintesi di lignani e neolignani. Podofillotossina; sintesi dell’etoposide. Biosintesi di stilbenoidi e flavonoidi. Resveratrolo: proprietà e presenza in alimenti e bevande. Sintesi di stilbenoidi. Flavonoidi; flavanoni (antiossidanti e amaricanti). Flavanoli del tè verde (catechine). Antocianine in cibi e bevande. Biosintesi degli isoflavonoidi. Isoflavonoidi (fitoestrogeni). Tannini idrolizzabili e condensati.

Alcaloidi 

Proprietà medicinali degli alcaloidi. Alcaloidi da acido nicotinico: nicotina, arecolina (stimolanti). Reazioni di Mannich nella biosintesi di alcaloidi. Alcaloidi da ornitina-fenilalanina: ioscamina (atropina), cocaina e altri alcaloidi tropanici. Sintesi biomimetica della cocaina. A. derivanti da fenilalanina: efedrina e analoghi sintetici (amfetamine); catinone; euforizzanti psicotropi. Antimitotici: colchicina. Alcaloidi derivanti dal triptofano: serotonina e analoghi. Alcaloidi indolici-terpenoidici antitumorali. Alcaloidi derivanti da triptofano: a. pirroloindolici (fisostigmina). Alcaloidi dell’ergot; LSD. Alcaloidi chinolinici: chinina e analoghi (antimalarici). Camptotecina (antitumorali). Alcaloidi derivanti da tirosina: fenetilammine, catecolammine, mescalina. Alcaloidi dell’oppio e analoghi sintetici. (Narcotici e analgesici). Sintesi del metadone. Alcaloidi da altre vie biosintetiche: taxolo e analoghi. A. purinici: bevande nervine. Antimetaboliti.

Altri composti naturali bioattivi e loro analoghi sintetici 

Farmaci antivirali. Ciclopeptidi. Composti solforati in fonti alimentari: aromi, agenti antitrombotici, agenti antitumorali. Glucosinolati. Composti alogenati. 

Esercitazioni in laboratorio 

Tecniche di estrazione dei composti bioattivi, estrazione con solventi, filtrazione sottovuoto, cromatografia su colonna, cromatografia su strato sottile (TLC), cromatografia bioguidata.Estrazione e purificazione di acido rosmarinico e carnosico da foglie di rosmarino.

1. Paul M. Dewick, Chimica, Biosintesi e Bioattività delle Sostanze Naturali, 2a Ediz.,Piccin

2. Richard B. Silverman, The Organic Chemistry of Drug Discovery and Drug Action, 2nd edition, Elsevier – Academic Press

3. Richard B. Silverman, Mark W. Holladay, Manuale di Chimica Farmaceutica, Edra SpA 2015

4. Diapositive del corso (vedi: materiale didattico disponibile su STUDIUM)

Lo studente è tenuto a presentare un elaborato relativo all’esperienza di laboratorio. 

L’esame si svolgerà secondo una Prova orale.

Per l’attribuzione del voto finale si terrà conto dei seguenti parametri:

Voto 29-30 e lode: lo studente ha una conoscenza approfondita della chimica dei composti naturali, dei processi biosintetici e delle strategie di sintesi; riesce prontamente e correttamente a descrivere approfonditamente un processo, a integrare e analizzare criticamente i quesiti presentati, risolvendo autonomamente problemi di natura chimica anche di elevata complessità; ha ottime capacità comunicative e proprietà di linguaggio.

Voto 26-28: lo studente ha una buona conoscenza della chimica dei composti naturali, dei processi biosintetici e delle strategie di sintesi, riesce a descrivere un processo, a integrare e analizzare in modo critico e lineare i quesiti presentati, riesce a risolvere in modo abbastanza autonomo problemi di natura chimica ed espone gli argomenti in modo chiaro utilizzando un linguaggio appropriato;

Voto 22-25: lo studente ha una discreta conoscenza della chimica dei composti naturali, dei processi biosintetici e delle strategie di sintesi, anche se limitata agli argomenti principali; riesce a descrivere un processo, a integrare e analizzare in modo critico ma non sempre lineare i problemi di natura chimica ed espone gli argomenti in modo abbastanza chiaro con una discreta proprietà di linguaggio;

Voto 18-21: lo studente ha la minima conoscenza della chimica dei composti naturali, dei processi biosintetici e delle strategie di sintesi, ha una modesta capacità di descrivere un processo, a integrare e analizzare in modo critico le situazioni presentate ed espone gli argomenti in modo sufficientemente chiaro sebbene la proprietà di linguaggio sia poco sviluppata;

Esame non superato: lo studente non possiede la conoscenza minima richiesta dei contenuti principali dell’insegnamento. La capacità di utilizzare il linguaggio specifico è scarsissima o nulla e non è in grado di applicare autonomamente le conoscenze acquisite.

ADME; Pro-farmaci: prontosil ; Biosintesi dei flavonoidi; Tannini; Sintesi del mentolo; etc.