CHIMICA BIOORGANICA

Il corso si prefigge di completare le conoscenze di Chimica Organica per una migliore conoscenza della Chimica dei processi biologici. In particolare, agli studenti che abbiano già acquisito le conoscenze di chimica organica, il corso ha lo scopo di fornire gli strumenti fondamentali per studiare, attraverso un approccio chimico, alcune delle reazioni più comuni che avvengono nei sistemi viventi, e comprendere analogie e differenze con le stesse reazioni condotte in laboratorio. Infatti, se da un lato le trasformazioni dei gruppi funzionali siano formalmente le stesse, i meccanismi di reazione possono differire in funzione delle condizioni sperimentali proprie della chimica di sintesi o della chimica dei sistemi biologici. In particolare, verranno analizzati in modo critico i principali meccanismi di reazione che avvengono in ambiente biologico, quali sostituzioni nucleofile, addizioni, eliminazioni, reazioni redox e trasformazioni catalizzate da enzimi. Il corso intende inoltre fornire agli studenti, che abbiano già acquisito le conoscenze di cromatografia e di spettrometria di massa, le basi per affrontare la caratterizzazione di complesse miscele proteiche mediante l’utilizzo combinato di metodi proteomici quali, tecniche di separazione elettroforetica e cromatografica, reazioni di digestione in-gel, analisi mediante spettrometria di massa e strumenti bioinformatici.

In riferimento ai cosiddetti Descrittori di Dublino, i risultati di apprendimento del corso sono:

D1 - Conoscenza e capacità di comprensione - Lo studente dovrà mostrare padronanza delle reazioni più comuni in chimica organica e capacità di correlarle con le reazioni trattate durante il corso e che avvengono nei sistemi viventi. Dovrà inoltre mostrare di aver acquisito le conoscenze sulle metodiche analitiche per analizzare miscele proteiche complesse, e relative applicazioni in diversi ambiti, quali ad esempio quello agro-alimentare.

D2 - Capacità di applicare conoscenza e comprensione - Lo studente dovrà essere capace di applicare in modo appropriato e flessibile le conoscenze acquisite, anche attraverso lo sviluppo teorico di progetti mirati, per la caratterizzazione di sistemi proteici complessi, nonché individuare le principali somiglianze e differenze delle comuni reazioni della chimica organica di sintesi con le analoghe trasformazioni che avvengono nei sistemi biologici.

D3 - Autonomia di giudizio - Lo studente dovrà dimostrare capacità di ragionamento critico e, attraverso le conoscenze acquisite durante il corso, dovrà ad esempio elaborare un progetto sperimentale in ambito di caratterizzazione di sistemi proteici complessi, anche attraverso la scelta delle opportune strategie analitiche a seconda dell’obiettivo da raggiungere.

D4 - Abilità comunicative- Lo studente dovrà essere in grado di comunicare chiaramente e con un linguaggio chimico adeguato e rigoroso le nozioni acquisite durante il corso, nonché di sostenere un contraddittorio sulla base di un giudizio sviluppato autonomamente su una problematica inerente agli argomenti trattati durante il corso.

D5 - Capacità di apprendimento. Lo studente dovrà dimostrare, anche attraverso la ricerca di informazioni dalla letteratura scientifica e da banche dati proteiche, di aver sviluppato buone capacità di apprendimento ed approfondimento dei temi trattati durante il corso, al fine di affrontare agevolmente problemi complessi anche interdisciplinari, nonché i successivi percorsi di studio.

Queste abilità verranno stimolate dal docente sia proponendo approfondimenti, sia svolgendo esercizi in aula, che attraverso la pratica di laboratorio.

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.

L'insegnamento consiste di:

- 28 ore (4 CFU) di lezioni frontali in aula - Didattica Erogativa (DE), durante le quali il docente si avvale di presentazioni power point utili alla più rapida ed efficace comprensione dei contenuti del corso.

- 15 ore di esercitazioni in aula (1CFU) e 15 ore di laboratorio (1 CFU) - Didattica Interattiva (DI), nelle quali verranno applicate alcune delle metodiche di carattere proteomico trattate durante il corso.

Qualora l’insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto sopra dichiarato, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel presente syllabus.

Non ci sono propedeuticità specifiche per questo corso, ma per una proficua comprensione degli argomenti trattati è molto importante che lo studente possegga:

Conoscenze dei meccanismi delle più comuni reazioni di chimica organica

Conoscenze delle molecole organiche di interesse biologico

Conoscenza dei concetti di base di cromatografia liquida, elettroforesi e spettrometria di massa

La frequenza al corso è obbligatoria, dovendo lo studente frequentare almeno il 70% del monte ore del corso vedi Regolamento Didattico sez. 3.4).

I Parte: Reazioni di Chimica Organica nel mondo biologico

Richiami sui principali gruppi funzionali e sulle reazioni organiche più comuni nel mondo biologico. Reazioni di sostituzione nucleofila alifatica, di eliminazione, di addizione nucleofila al carbonile, di sostituzione nucleofila acilica. Formazione dei legami glicosidici nei carboidrati. L’acetil-coenzima A. Esterificazione, tioesterificazione e transesterificazione. Meccanismo d’azione della penicillina e dell’aspirina. Biosintesi della glutammina e dell’asparagina dal glutammato e dall’aspartato. Reazioni di condensazione carbonilica. Esempi e differenze con le analoghe condotte in laboratorio. Le reazioni redox nel mondo biologico: NAD(P)⁺ e NADH(P); FAD e FADH₂. (6h)

Il gruppo fosfato e le reazioni di trasferimento dei gruppi fosfato negli esseri viventi. L'adenosina trifosfato (ATP) e la Respirazione cellulare (glicolisi, ciclo di Krebs e fosforilazione ossidativa): reazioni di esterificazione (fosforilazione), ossidazione, condensazione di Claisen, condensazione aldolica e aldolica inversa nelle fasi della respirazione cellulare. (6h)

Le reazioni di idrolisi nei sistemi biologici. Idrolisi dei legami glicosidici nei polisaccaridi. Idrolisi di esteri. L’ esempio dell’acetilcolina e l’acetilcolinesterasi. Idrolisi dei trigliceridi. Idrolisi delle proteine. Proteasi e idrolisi del legame peptidico. Le proteasi a serina: chimotripsina e tripsina. (2h)

II Parte: Approcci Proteomici

La Spettrometria di massa applicata allo studio di peptidi e proteine. La Spettrometria di massa tandem (MS/MS) per la caratterizzazione della sequenza di un peptide. (2h)

Come studiare le proteine mediante la spettrometria di massa. Caratterizzazione della sequenza amminoacidica di una proteina mediante spettrometria di massa; dalle singole proteine ai sistemi proteici complessi: l’era della proteomica. (4h)

Caratterizzazione di sistemi proteici complessi. Identificazione delle proteine mediante approcci top-down e bottom-up; approcci gel-based e approcci gel-free. Interpretazione dei dati MS/MS: il de novo sequencing. Le banche dati biologiche; struttura delle banche dati. Ricerca nei database proteici mediante dati di spettrometria di massa: software Mascot e software PEAKS. Proteomica Quantitativa: approcci label based e approcci label-free. (4h)

Metodi di allineamento di sequenze biologiche. Allineamento di sequenze. Similarità e omologia. Matrici di Sostituzione. Ricerca di similarità in banche dati mediante algoritmi euristici: BLAST. Allineamento multiplo di sequenze: Il software ClustalW. (4h)

Esercizi in aula ed Esempi di applicazioni di studi proteomici. Esercizi sulla deconvoluzione di spettri di massa ESI di proteine. Esercizi sull’interpretazione di spettri MS/MS di peptidi e di proteine (top-down). Esempi e applicazioni pratiche di approcci proteomici nello studio di casi reali. (15h)

Attività di Laboratorio (15h):

- Preparazione di una miscela di due proteine e analisi in infusione diretta mediante spettrometria di massa. Calcolo della massa molecolare ottenuta sperimentalmente.

- Riduzione dei ponti disolfuro e alchilazione dei gruppi tiolici con iodoacetammide della miscela di proteine precedente. Determinazione della massa molecolare mediante ESI-MS per infusione diretta. Calcolo del numero di cisteine

- Analisi mediante approccio bottom-up gel-free del siero del latte vaccino e identificazione delle proteine mediante ricerca nei database attraverso l’uso di tools bio-informatici.

Chimica Bio-Organica – J. McMurry, T. Begley - Zanichelli

Proteomica – T. Alberio; M. Fasano; P. Roncada; EDISES

Computational Methods for Mass Spectrometry Proteomics – I. Eidhammer; K. Flikka; L. Martens; S.O. Mikalsen; WILEY

Appunti, dispense e slides di lezione reperibili tramite il portale E-Learning Moodle / STUDIUM di UNICT.

La prova d’esame è orale, e mira alla verifica delle conoscenze e abilità acquisite da parte dello studente, alle sue capacità di collegare i vari argomenti trattati con le problematiche attuali e alle sue capacità di utilizzare un linguaggio appropriato nell’esporre gli argomenti proposti.

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

Voto 30-30 e lode:

Voto 27-29: 

Voto 24-26: 

Voto 21-23: 

Voto 18-20: 

Esame non idoneo: 

Descrivi la struttura e il ruolo metabolico dell’acetil-coenzima A.

Perché il legame tioestereo dell’acetil-CoA è considerato un legame ad alta energia?

Esempi di reazioni di esterificazione e transesterificazione in ambito biologico

Meccanismo d’azione dell’aspirina

Esempi di condensazioni carboniliche in ambito biologico

Approcci proteomici bottom-up e top-down

Analisi LC-ESI MS/MS di miscele di peptidi

Interpretazione di uno spettro MS/MS di un peptide

Ricerca nei database proteici mediante dati MS

Ricerca per similarità di sequenze proteiche