Codice insegnamento

4S011585

Crediti

9

Coordinatore

Daniele Dell'Orco

Lingua di erogazione

Inglese

Settore Scientifico Disciplinare (SSD)

BIO/10 - BIOCHIMICA

Corsi Singoli

Non Autorizzato

Moodle Seminari 0

L'insegnamento è organizzato come segue:

Obiettivi di apprendimento

Il corso si prefigge di favorire la comprensione del funzionamento al livello di sistema delle reti biomolecolari complesse preposte a specifiche funzioni biologiche (trasduzione del segnale, metabolismo, regolazione dell’espressione genica) partendo dai componenti biomolecolari di base. Lo studente, con l’aiuto della visualizzazione al computer, analizzerà il rapporto struttura/funzione per le principali classi di macromolecole biologiche (proteine, acidi nucleici, carboidrati, lipidi) e sarà in grado di prevederne e studiarne l’interazione in un contesto fisiologico e patologico. L’integrazione di analisi di tipo teorico-computazionale con esercitazioni di laboratorio volte allo studio delle interazioni biomolecolari e la formazione di complessi supramolecolari, permetterà allo studente di sviluppare capacità di analisi di tipo “bottom-up”, che sarà in grado di applicare efficacemente a specifiche problematiche di biomedicina. L’insegnamento prevede l’integrazione di lezioni di teoria, esercitazioni di laboratorio e lavoro a gruppi. Viene inoltre proposta l’analisi di articoli scientifici inerenti alle tematiche trattate nel corso.
Al termine del corso lo studente avrà acquisito:
a) conoscenza approfondita delle macromolecole biologiche e dei loro assemblati funzionali e patologici;
b) conoscenza esaustiva delle metodologie di analisi teorica e sperimentale delle macromolecole e dei complessi supramolecolari, comprendenti tecniche biochimiche e biofisiche;
c) capacità di applicare le conoscenze acquisite per l’analisi di reti biomolecolari in un contesto fisiologico e patologico secondo un approccio di indagine multiscala;
d) capacità di analizzare le proprietà emergenti al livello di sistema di specifiche reti biomolecolari;
e) capacità di lavorare in squadra, di interpretare i risultati delle analisi sperimentali e di comunicarle secondo i canoni della comunità scientifica.

Prerequisiti e nozioni di base

Conoscenze di base di chimica generale e organica, di fisica e dio biochimica.

Programma

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UL: Teoria
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Il corso si basa su cinque moduli principali e sessioni pratiche che saranno in parte gestite utilizzando la flipped classroom e il team-based learning.

Parte teorica (42 ore):

1) Biologia strutturale delle macromolecole e dei complessi macromolecolari

• Perché la biologia strutturale? L'organizzazione della vita a livello molecolare
• Fondamenti della struttura delle proteine: interazioni chimiche e fisiche che stabilizzano la struttura delle proteine; ripiegamento, fold e funzione delle proteine; proteine solubili vs. proteine di membrana; proteine completamente ripiegate e intrinsecamente disordinate; assemblaggi oligomerici proteina-proteina; enzimi, co-enzimi e ioni metallici; mutazioni puntiformi associate a malattie che influenzano la struttura/funzione e le interazioni delle proteine;
• Fondamenti della struttura degli acidi nucleici: Struttura secondaria del DNA e deviazione dall'idealità; differenze strutturali e funzionali tra DNA e RNA; struttura terziaria dell'RNA;
• Fondamenti di lipidi e struttura delle membrane: classi di lipidi e fasi cristalline liquide; curvatura delle membrane; cambiamenti nella composizione delle membrane; fusione e fissione delle membrane; domini BAR e curvatura delle membrane; liposomi, nanovescicole e nanodischi;
• Esempi di complessi macromolecolari funzionali: fattori di trascrizione gene-specifici: motivi strutturali (leucine zipper, zinc finger, p21Ras, specificità di legame); complessi macromolecolari coinvolti nella trasduzione del segnale; complessi macromolecolari nei virus.
Approfondimento bioinformatico: strumenti informatici per la biologia strutturale: Protein Data Bank; UniProt; grafica molecolare e visualizzazione: PyMol

2) Interazione tra luce e macromolecole per lo studio delle proprietà strutturali, funzionali e dinamiche

• Fondamenti di spettroscopia di assorbimento ed emissione; fluorescenza intrinseca; trasferimento di energia basato sulla fluorescenza (FRET;); dicroismo circolare; tecniche di light-scattering e di diffusione per lo studio di proprietà idrodinamiche.

3) Processi di legame che coinvolgono le macromolecole

• Sintesi della termodinamica e degli equilibri chimici; lo stato standard "biochimico"; cenni ai modelli teorici che descrivono il legame dei ligandi alle macromolecole;
• Cinetica dei sistemi biochimici; processi di associazione e dissociazione; fattori che influenzano le interazioni proteina-proteina;
• Tecniche sperimentali per lo studio dei legami biochimici: calorimetria a titolazione isotermica; calorimetria a scansione differenziale; risonanza plasmonica di superficie e tecnologie ottiche simili di biosensing; spettrometria di massa.

4) Tecniche ad alta risoluzione per risolvere la struttura delle macromolecole e dei loro complessi
• Elementi di cristallografia a raggi X, spettroscopia di risonanza magnetica nucleare allo stato liquido; la rivoluzione della microscopia elettronica criogenica.

5) Dalle singole molecole alle reti biologiche

• Il paradigma della biologia dei sistemi: perché è necessario; modellazione top-down vs. bottom-up. Proprietà emergenti.
Modellazione matematica delle reti biomolecolari: implementazione di modelli statici e dinamici di reti biomolecolari. Processi deterministici e stocastici in biologia. Analisi standard dei modelli di sistemi biologici.
• Esempi di reti biologiche e loro alterazione nelle malattie: modellazione dell'espressione genica, sistemi metabolici e sistemi di trasduzione del segnale.

Approfondimento computazionale: strumenti informatici per l'implementazione di modelli statici e dinamici in biologia dei sistemi; esempi di implementazione di modelli statici; simulazione di un modello dinamico di complessità crescente. Implementazione di un modello computazionale di segnalazione e ciclo delle proteine G (gruppo di lavoro).
Per ogni argomento verranno effettuati e discussi confronti tra condizioni fisiologiche e patologiche.

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UL: Laboratorio
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Gli studenti saranno divisi in gruppi. Utilizzando una metodologia di flipped-classroom, ogni gruppo eseguirà 3-4 diversi esperimenti che saranno poi presentati agli altri gruppi. Ogni gruppo parteciperà attivamente alla discussione e alla valutazione delle prestazioni degli altri gruppi.

I temi degli esperimenti riguarderanno i seguenti ambiti:
- Condensazione del DNA: studio delle interazioni DNA-proteine (tecniche: CD e DLS)
- Struttura/funzione macromolecolare
• mCardinal: una proteina intrinsecamente fluorescente (struttura della proteina; denaturazione chimica: tecniche: CD e spettroscopia di fluorescenza)
• struttura/funzione di una proteina sensore di calcio: recoverina miristoilata e non miristoilata (tecniche: CD e spettroscopia di fluorescenza).
- Interazione proteina-lipide
• interazione di recoverina miristoilata/non miristoilata con un liposoma che imita una membrana biologica
- Interazione proteina-ligando
• mutanti di calmodulina e aritmie: il ruolo del calcio (tecniche: DSC e ITC)
• mutanti di calmodulina e aritmie: interazione con il recettore della rianodina (tecniche: DSC e ITC)
- Risonanza magnetica nucleare (NMR) per indagini ad alta risoluzione
• mutanti di calmodulina e aritmie: interazioni proteina-ligando (esperimenti 1H e HSQC)

Bibliografia

Modalità didattiche

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UL: Teoria/Laboratorio
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Lezioni frontali, flipped classroom, team-based learning.

Modalità di verifica dell'apprendimento

L’esame è composto da tre parti distinte:
1) una prova scritta, con domande aperte, sugli argomenti trattati durante le lezioni teoriche e sulle basi delle tecniche sperimentali e computazionali utilizzate nelle esercitazioni;
2) una relazione individuale su una delle prove sperimentali effettuate in laboratorio;
3) esposizione a gruppi di un articolo scientifico su una tematica inerente all’insegnamento, con particolare riferimento alle tecniche di indagine utilizzate.
La modalità di esame è la stessa per i non frequentanti e per gli studenti Erasmus.

Criteri di valutazione

Per superare l’esame lo studente deve dimostrare di avere raggiunto interamente gli obiettivi formativi preposti. Il voto complessivo, in trentesimi, è la somma pesata della valutazione ottenuta nelle tre parti (due terzi, un terzo, un terzo, rispettivamente). Per le tre prove verranno specificamente valutate:
1) l’approfondimento della conoscenza specifica; la capacità di effettuare collegamenti e dedurre informazioni di rilevanza biomedica; la proprietà di linguaggio scientifico;
2) l’accuratezza di descrizione dell’esperimento e la capacità di giudizio critico nell’analisi di un risultato scientifico;
3) la capacità di organizzare il lavoro in squadra, l’approfondimento della tematica e di ragionamento critico e la capacità comunicativa.

Criteri di composizione del voto finale

Media pesata delle valutazioni ottenute nelle prove descritte sopra.

Lingua dell'esame

English