The course is aimed at describing structure and function of the chief biological molecules (proteins, carbohydrates, lipids) as well as giving the picture of the complex interaction among metabolic pathways in humans. The metabolic section will give the essential requirements for both courses focused on biochemical procedures (Applied Biochemistry) and courses dealing with human diseases and their treatment (Pathology, Pharmaceutical Chemistry and Pharmacology).

Students are expected to gain a good knowledge of the structure and function of different classess of biomolecules as well as the ability to describe the main metabolic pathways and recognize their interactions

PROGRAMMA ESTESO

STRUTTURA DELLE PROTEINE

Panoramica sulle funzioni delle proteine. Stabilità interna e “dialogo” con l’ambiente: le interazioni deboli. Gli amminoacidi delle proteine: proprietà generali, famiglie. Struttura primaria delle proteine. II legame peptidico e le strutture secondarie. Strutture ad a-elica e a foglietto b. Proteine fibrose e proteine globulari. Struttura terziaria. I ponti disolfuro. Struttura quaternaria. Il folding delle proteine in vitro e in vivo. Chaperon molecolari. Le malattie da misfolding. I prioni. Proteine coniugate e modificazioni post-traduzionali delle proteine.

LE PROTEINE CHE TRASPORTANO L'OSSIGENO

II gruppo eme. Struttura della mioglobina, legame con l'ossigeno. Struttura dell'emoglobina. Affinità per l'ossigeno e per il CO. Cooperatività del legame con l'ossigeno. Curve di dissociazione dell'ossigeno: confronto tra mioglobina ed emoglobina. Effetto Bohr. Effetto del 2,3-bisfosfoglicerato. Emoglobina fetale. Metaemoglobina. Trasporto dell'anidride carbonica. Emoglobine patologiche.

GLICIDI

Funzioni dei glicidi. Classificazione. Monosaccaridi: aldosi e chetosi. Zuccheri riducenti e non riducenti. Amminozuccheri, acido sialico e sialoglicoproteine. Il legame glicosidico. Polisaccaridi: cellulosa, chitina, amido, glicogeno. Mucopolisaccaridi e mucopolisaccaridosi, eparina. Glicoproteine. Proteoglicani. Glicolipidi. I carboidrati come marcatori di superficie e recettori di segnali molecolari.

LIPIDI E MEMBRANE BIOLOGICHE

Funzioni dei lipidi. Acidi grassi saturi e insaturi. Classificazione dei lipidi: cere, trigliceridi, glicerofosfolipidi, sfingolipidi, steroli e colesterolo, altri composti terpenici (vitamine A, D, E, K, ubichinone, dolicoli). Effetto idrofobico. I lipidi come segnali intracellulari (diacilglicerolo e ceramide) ed extracellulari (eicosanoidi). Architettura delle membrane biologiche: il modello a mosaico fluido e….il suo aggiornamento (“rafting” dei lipidi di membrana). Fluidità delle membrane biologiche: effetto dei doppi legami e del colesterolo. Proteine di membrana integrali, periferiche, altre (monotopiche, “GPI-anchored proteins”).

ENZIMI – PRINCIPI DI CATALISI

Variazione di energia libera e costante di equilibrio. Reazioni esoergoniche ed endoergoniche: ΔG, ΔG⁰, ΔG^0’. Velocità di reazione e stato di transizione (equazione di Arrhenius: ΔG di attivazione). Il sito attivo degli enzimi. Specificità delle reazioni enzimatiche. Classificazione degli enzimi. Isoenzimi. Cofattori degli enzimi: ioni metallici e coenzimi. Esempi di catalisi enzimatica covalente e non covalente. Le proteasi.

ENZIMI - CINETICA ENZIMATICA – LE EQUAZIONI FONDAMENTALI

La base sperimentale dell'equazione di Michaelis e Menten. Cinetica di saturazione: equazione, grafico e interpretazione del grafico. Significato dei parametri cinetici K_M, V_max, k_cat, k_cat/K_M. Effetto del pH e della temperatura sull'attività enzimatica.

ENZIMI - INIBITORI E REGOLAZIONE

Inibitori irreversibili e reversibili. Inibitori reversibili competitivi, acompetitivi, misti e non competitivi. Esempi. Controllo della quantità e della attività degli enzimi. Tipi di regolazione. Regolazione allosterica.

INTRODUZIONE AL METABOLISMO

Processi catabolici e processi biosintetici. Reazioni metaboliche esoergoniche, endoergoniche e all’equilibrio. ATP: struttura e proprietà. Carica energetica della cellula. Metastabilità dell'ATP. Composti ad elevato potenziale di trasferimento del fosfato.  Composti ad "alta energia". Coenzimi e vitamine. Coenzima A e tioesteri. Reazioni redox. NAD, NADP. FAD, FMN e flavoproteine, lipoammide, glutatione, tetraidrobiopterina, acido ascorbico. Altri coenzimi derivanti da vitamine: piridossal fosfato, S-adenosil-metionina, tetraidrofolato, biotina, tiamina pirofosfato, coenzima B₁₂, metil-cobalamina. Riepilogo sul controllo (termodinamico e cinetico) del flusso metabolico: tappe di controllo e minimizzazione dei cicli futili.

METABOLISMO DEI GLICIDI - GLICOLISI

Generalità sul metabolismo dei carboidrati. Fornitori della glicolisi. Ruolo centrale del glucoso-6-fosfato. Reazioni ed enzimi della glicolisi. Termodinamica della glicolisi: DG⁰ e DG delle reazioni. Regolazione della glicolisi: enzimi regolatori e loro modulatori. Il fruttoso-2,6-bisfosfato e l'enzima tandem chinasi-fosfatasi. Sintesi del 2,3-bisfosfoglicerato. Destino del piruvato. Fermentazione lattica e alcolica. Collegamento della glicolisi con il metabolismo lipidico.

CICLO DELL'ACIDO CITRICO (CICLO DI KREBS)

II complesso della piruvato deidrogenasi: reazioni, enzimi e coenzimi. Fonti metaboliche di acetil CoA. Reazioni ed enzimi del ciclo. Termodinamica e regolazione. Ruolo catabolico e biosintetico del ciclo di Krebs. Reazioni anaplerotiche. Collegamento tra il ciclo di Krebs e le altre vie metaboliche. Il ciclo del gliossilato.

TRASPORTO DEGLI ELETTRONI E FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA

Catabolismo e catena respiratoria. I complessi della catena respiratoria. L’ubichinone e i suoi fornitori di elettroni. I citocromi. Il citocromo c, caratteristiche strutturali e funzionali. Sintesi dell'ATP: ipotesi chemiosmotica, struttura e funzione dell'ATP sintasi. Accoppiamento tra flusso degli elettroni e fosforilazione ossidativa. Regolazione. Principali inibitori della fosforilazione ossidativa. Il disaccoppiamento. Sistemi navetta per il trasporto di equivalenti di NADH dal citosol al mitocondrio. Bilancio energetico della ossidazione completa di una molecola di glucosio.

METABOLISMO DEI GLICIDI - VIA DEI PENTOSO FOSFATI

Scopi della via dei pentosofosfati. Reazioni ed enzimi. Regolazione: dipendenza dal fabbisogno di NADPH, riboso-5-fosfato e ATP. Fonti di NADPH alternative alla via dei pentosi: enzima malico. NADPH e glutatione reduttasi. Altre funzioni del NADPH. Generalità sulle reazioni monossigenasiche.

METABOLISMO DEI GLICIDI - METABOLISMO DEL GLICOGENO

Struttura e funzione del glicogeno. Demolizione e sintesi. Glicogeno fosforilasi e glicogeno sintasi. Funzione della glicogenina. Regolazione del metabolismo del glicogeno. Il calcio e la calmodulina.

METABOLISMO DEI GLICIDI - GLUCONEOGENESI

Generalità sulla gluconeogenesi: il glucosio ….ad ogni costo. Confronto tra glicolisi e gluconeogenesi. Composti glucogenici. La piruvato carbossilasi (biotin-enzima), un enzima polifunzionale. Trasporto dell'ossalacetato dal mitocondrio al citosol. Gli altri enzimi "peculiari" della gluconeogenesi: PEP-carbossichinasi, fruttoso-l,6-bisfosfatasi e glucoso-6-fosfatasi (distribuzione nell’organismo). Fabbisogno energetico della gluconeogenesi. Il ciclo di Cori e il ciclo dell’alanina. Regolazione ormonale: glucagone, adrenalina, cortisolo. Dismetabolismi glicidici (cenni).

METABOLISMO LIPIDICO - GLI ACIDI GRASSI

Degradazione e sintesi dei trigliceridi nel duodeno, nel tessuto adiposo e nel fegato. Mobilizzazione degli acidi grassi. Attivazione degli acidi grassi. Struttura e ruolo della carnitina. La b-ossidazione: reazioni, enzimi e coenzimi, bilancio energetico.  Ossidazione degli acidi grassi a catena dispari di atomi di carbonio.  La chetogenesi e i corpi chetonici. Sintesi degli acidi grassi. Trasporto dell'acetil-CoA dal mitocondrio al citosol: funzione dell'enzima malico. Attivazione dell’acetil-CoA a malonil-CoA. La “catena di montaggio”: reazioni, enzimi, coenzimi. Organizzazione strutturale della acido grasso sintasi. Regolazione allosterica del metabolismo degli acidi grassi: il citrato come trasportatore e modulatore allosterico,  inibizione da palmitoil-CoA. Regolazione ormonale: fosfosforilazione e defosforilazione dell'acetil-CoA carbossilasi e della triacilglicerolo lipasi. Le prostaglandine e gli altri derivati dell'acido arachidonico (cenni).

METABOLISMO LIPIDICO -I LIPIDI DI MEMBRANA E IL COLESTEROLO

Generalità sul metabolismo dei fosfolipidi. Biosintesi del colesterolo: fabbisogno di acetil-CoA e NADPH, fasi principali, fasi "costose" (consumo di ATP e NADPH: costi di produzione e di trasporto). Le lipoproteine. Il controllo della biosintesi e del trasporto del colesterolo. Regolazione (cenni). L'ipercolesterolemia famigliare. Derivati del colesterolo: ormoni steroidei (glucocorticoidi, mineralcorticoidi, sessuali), acidi biliari, vitamina D₃. Biosintesi degli ormoni steroidei e degli acidi biliari: ruolo delle monoossigenasi. Prenilazione delle proteine. Dismetabolismi lipidici (cenni).

METABOLISMO DEGLI AMMINOACIDI - CATABOLISMO

II catabolismo delle proteine della dieta e cellulari. Il sistema ubiquitina-proteasoma. Destino metabolico degli amminoacidi: amminoacidi glucogenici e chetogenici. Deamminazione per transamminazione (transamminasi PLP-dipendenti). Deamminazione ossidativa: la glutammico deidrogenasi. Ruolo catalitico dell'a-chetoglutarato. Sintesi del carbammil-fosfato. Il ciclo dell'urea: reazioni, enzimi, compartimentazione cellulare, collegamento col ciclo di Krebs e regolazione. Sintesi di creatina e fosfocreatina.

METABOLISMO DEGLI AMMINOACIDI - BIOSINTESI

Amminoacidi essenziali e non essenziali. Caratteristiche generali della biosintesi degli amminoacidi. La glutammato deidrogenasi e la glutammina sintetasi. Famiglie biosintetiche degli amminoacidi. Ruolo biosintetico delle transaminasi. Biosintesi della tirosina dalla fenilalanina. Interconversione serina-glicina. Il metabolismo delle unità monocarboniose: i derivati del tetraidrofolato e la S-adenosil metionina. La metilcobalamina. Sintesi delle catecolamine. Amminoacidi come precursori di biomolecole: nucleotidi, ormoni della tiroide, glutatione, istamina, serotonina, GABA, catecolamine. Dismetabolismi degli amminoacidi (cenni).

METABOLISMO DEI NUCLEOTIDI

Struttura dei nucleotidi purinici e pirimidinici. Aspetti generali del metabolismo dei nucleotidi: vie de novo e vie di recupero. Strategie biosintetiche e origine degli atomi degli anelli purinico e pirimidinico. Formazione dei deossiribonucleotidi. Biosintesi dei nucleotidi timidilici: la timidilato sintasi e la diidrofolato reduttasi. Cenni al catabolismo dei nucleotidi. Riepilogo sulle interazioni tra ciclo di Krebs, metabolismo degli aminoacidi e metabolismo dei nucleotidi. Dismetabolismi dei nucleotidi (cenni).

COMUNICAZIONE TRA CELLULE E SIGNALLING MOLECOLARE

Molecole-segnale: ormoni e neurotrasmettitori. Recettori nucleari e recettori di membrana. Segnali ormonali: insulina, glucagone, adrenalina. Secondi messaggeri: cAMP, cGMP, Ca⁺⁺, IP₃, DAG. Le proteine G e gli apparati di trasduzione dei segnali. Le cascate dell'AMPc e dell'inositolo trisfosfato. I recettori ad attività guanilato ciclasica. Il cGMP e l'NO. Il recettore dell'insulina e la famiglia dei recettori ad attività tirosin-chinasica.

Structure and function of proteins, carbohydrates and lipids

PROTEINS -Aminoacid families. Peptide bond and secondary structures. Tertiary  and quaternary structure. Folding, unfolding. Chaperones and misfolding diseases. Mioglobin and haemoglobin. CARBOHYDRATES – Classes, functions, structures. Glucose, fructose. Aminosugars and mucopolysaccharides. Mucopolysaccharidoses. 

  LIPIDS- Classes, functions, structures. Fatty acids, glycerophospho- and sphingolipids, terpenes and lipophilic vitamins, cholesterol. Biological membranes.

Enzyme kinetics                                                                                               

Thermodynamics of biochemical reactions. Transition state theory. Covalent and non covalent catalysis. Michaelis-Menten kinetics. T and pH effect. Kinetic parameters.  Inhibitors. Allosteric enzymes.  

Metabolism

INTRODUCTION – Catabolic, biosynthetic and amphibolic processes. ATP and “high-energy” compounds. Vitamins and coenzymes. METABOLIC PATHWAYS – Glicolysis: functions, reactions, regulation. Lactic fermentation. Pyruvate dehydrogenase complex. Krebs cycle: reactions and multiple connections. Oxidative phosphorylation: function, subcellular localization, respiratory chain complexes. Coenzyme Q, cytochrome c and other electron transporters.  Chemiosmotic theory and F_OF₁ ATP synthase. Penthose phosphate pathway and NADPH requirement. Glycogen metabolism and gluconeogenesis. Fatty acid mobilization and beta-oxidation. Ketone bodies. Synthesis of fatty acids. Regulation of lipid metabolism. Cholesterol biosynthesis and distribution. LDL uptake and hypercholesterolemia. Steroid hormones. Protein prenylation. Protein catabolism. Glucogenic and ketogenic aminoacids. Aminotransferases. Urea cycle. Aminoacid biosynthetic families. Monocarbon unit metabolism. Biomolecules from aminoacids. Purines and pyrimidine nucleotide  metabolism. Synthesis of deoxyribonucleotides and thymine. MOLECULAR SIGNALLING – Membrane and nuclear receptors. cAMP and PIP₂ cascades, G proteins, cGMP, insulin receptor and RTKs.

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Essential requirement: good grounding in organic chemistry is essential to attend the course in a profitable manner.