Corsi di studio in
Farmacia - Chimica e tecnologia farmaceutiche

The course, which is hold in the second semester of II year is aimed at describing structure and function of the chief biological molecules (proteins, carbohydrates, lipids) as well as giving the picture of the fundamental metabolic pathways in humans, especially emphasizing their interaction and regulation. A final section describing the main signalling cascades  offers the opportunity of catching the dramatic complexity of the metabolic processes, suggesting the absolute need of understanding such a complexity in drug design.  The course will give the essential requirements for the strictly related courses of Applied Biochemistry and Molecular Biology. The course will also offer the background for courses dealing with human diseases and their treatment (Pathology, Pharmaceutical Chemistry and Pharmacology).

PROGRAMMA ANNO ACCADEMICO 2023/2024 

REQUISITI MINIMI CHIMICA ORGANICA / ARGOMENTO 

STRUTTURA DELLE PROTEINE

RM --> gruppi funzionali, eterocicli, legame H, altre interazioni deboli, acidi e basi deboli, legame peptidico, risonanza e tautomeria, centro trigonale e tetraedrico, asimmetria e chiralità, enantiomeri, dipoli e interazioni dipolo-dipolo, ingombro sterico, raggi di van der Waals, alifatico / aromatico, idrofilo/lipofilo (e sinonimi)

Generalità sul riconoscimento molecolare. Panoramica sulle funzioni delle proteine. Gli amminoacidi delle proteine: proprietà generali, famiglie di amminoacidi. Struttura primaria delle proteine. Il gruppo peptidico: legame peptidico e conformazioni dello scheletro polipeptidico, angoli di torsione φ e ψ. Diagramma di Ramachandran. Strutture secondarie: a elica e foglietto b. Motivi strutturali. Le proteine fibrose. Proteine di membrana e globulari: struttura terziaria. I domini delle proteine globulari. Interazioni stabilizzanti e destabilizzanti nelle proteine. Effetto idrofobico. 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. 

LE PROTEINE CHE TRASPORTANO L'OSSIGENO

RM --> H₂CO₃ e CO₂, solubilità dei gas, pressione parziale, grafici: variabile dipendente e indipendente, iperbole, sigmoide, pirrolo e imidazolo, Fe e legami di coordinazione, interazioni elettrostatiche (ponti salini), solvatazione ed effetto idrofobico

II gruppo eme. Struttura e funzioni di mioglobina ed emoglobina. Affinità per l'ossigeno e per il CO. Curve di dissociazione dell'ossigeno: confronto tra mioglobina ed emoglobina. Effetto Bohr. Effetto del 2,3-bisfosfoglicerato. Emoglobina fetale. Emoglobina S.  Metaemoglobina. Trasporto della CO₂. Emoglobine patologiche. 

GLICIDI

RM --> aldeidi e chetoni, alcoli, acetali e semiacetali, chetali e semichetali, proprietà riducenti, potere riducente, conformazioni cicloesano, posizioni alfa e beta, assiale ed equatoriale, asimmetria e chiralità, ingombro sterico.

Funzioni dei glicidi. Classificazione. Monosaccaridi:aldosi e chetosi. Amminozuccheri, acido sialico e sialoglicoproteine. Zuccheri riducenti e non riducenti. Il legame glucosidico. 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 

RM --> eteri, esteri (carbossilici e fosforici), ammine, amidi, acido fosforico e derivati, saturazione e insaturazione, configurazione cis/trans, idrolisi, effetto idrofobico e solvatazione, carattere anfipatico 

Definizione di "sostanze di natura lipidica". Ruoli biologici dei lipidi. Classificazione dei lipidi. Cere, triacilgliceroli, acidi grassi saturi e insaturi, glicerofosfolipidi, sfingolipidi, steroli e colesterolo, altri composti terpenici (vitamine A, D, E, K, ubichinone, dolicoli). I lipidi come segnali intracellulari (diacilglicerolo e ceramide) ed extracellulari (eicosanoidi). Architettura delle membrane biologiche: il modello a mosaico fluido e…il suo aggiornamento (lipid rafts). Fluidità delle membrane biologiche: effetto dei doppi legami e del colesterolo. Proteine di membrana: integrali, periferiche, monotopiche, GPI-anchored proteins. 

ENZIMI - PRINCIPI DI CATALISI 

RM -->legame H, interazioni elettrostatiche, acidi e basi deboli, elettrofilo/nucleofilo, polarizzazione di doppio legame, energia libera, entropia, entalpia, reazione esoergonica, reazione endoergonica, DG, costante di equilibrio, velocità di reazione, costante di velocità, ordine di una reazione.

Termodinamica delle reazioni: variazione di energia libera e costante di equilibrio. DG, DG⁰, DG^0I. Velocità di reazione e stato di transizione (equazione di Arrhenius: ΔG di attivazione). Classificazione degli enzimi. Catalisi non covalente e covalente. Teoria dello stato di transizione. Un esempio riepilogativo: le proteasi. Le proteasi a serina: meccanismo di reazione, specificità, attivazione degli zimogeni, esempi. I proteasomi. Le caspasi e l'apoptosi. Proteasi e autofagia. Anticorpi catalitici. Ribozimi.

ENZIMI - CINETICA ENZIMATICA - LE EQUAZIONI FONDAMENTALI

Terminologia: velocità di reazione (v), velocità iniziale (v₀), costanti di velocità (k), costanti di equilibrio (K, di dissociazione e di associazione), dimensioni delle costanti, attività enzimatica e velocità, attività enzimatica specifica. La base sperimentale dell'equazione di Michaelis e Menten. Cinetica di saturazione: equazione e grafico. I modelli interpretativi dell'equazione sperimentale. Significato dei parametri cinetici: K_M, V_max e k_cat, k_cat / K_M; limiti superiori di k_cat / K_M ed enzimi "perfetti". Parametri cinetici degli enzimi regolatori e non regolatori: esempio della glicolisi. Effetto del pH e della temperatura sull'attività enzimatica. Rappresentazione grafica dei dati e determinazione dei parametri cinetici: equazione e grafico di Lineweaver-Burk (limiti e pregi).

ENZIMI - INIBITORI E REGOLAZIONE 

Inibitori reversibili e irreversibili. Inibitori reversibili competitivi, acompetitivi, misti e non competitivi. Esempi di inibitori competitivi analoghi di substrato e di stato di transizione. Inibitori irreversibili: inibitori diretti al sito e inibitori suicidi (esempi). Controllo della disponibilità e dell'attività degli enzimi. Tipi di regolazione (esempi). Regolazione allosterica. Cooperatività: modello concertato e modello sequenziale. Attivatori e inibitoli allosterici. 

INTRODUZIONE AL METABOLISMO 

RM --> estere fosforico, anidride fosforica, anidride mista

 Generalità sul metabolismo. Processi catabolici, processi biosintetici, processi anfibolici. Termodinamica delle vie metaboliche: ΔG, ΔG°, ΔG°^I. Reazioni esoergoniche, endoergoniche e all'equilibrio. ATP: struttura, proprietà, tipo di reazioni ATP-dipendenti, vie di sintesi dell'ATP. Carica energetica della cellula. Metastabilità dell'ATP.  Composti ad elevato potenziale di trasferimento del fosfato. Composti ad "alta energia". Coenzimi e vitamine. Coenzima A, reattività dei tioesteri. NADH: reazioni "solite" (deidrogenazioni) e "insolite" (adenilazioni, ADP-ribosilazioni). NADPH: ruolo, distribuzione cellulare, confronto con il NADH. FAD, FMN e flavoproteine. Altri coenzimi derivanti da vitamine: lipoammide, piridossal fosfato, S-adenosil-metionina, tetraidrofolato, biotina, tiamina pirofosfato, coenzima B₁₂, metil-cobalamina. Acido ascorbico. Riepilogo sul controllo (termodinamico e cinetico) del flusso metabolico: tappe di controllo e minimizzazione dei cicli futili. 

GLICOLISI 

RM --> estere fosforico, anidride fosforica, endride mista carbossi-fosforica, tautomeria cheto-enolica, tiosemiacetali, tioesteri, chiralità e pro-chiralità

Generalità sul metabolismo dei carboidrati. La "dote" energetica di un metabolita (confronto tra glicidi e lipidi). Ruolo centrale del glucosio-6-fosfato. Reazioni ed enzimi della glicolisi. Meccanismo di reazione della gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi. Termodinamica della glicolisi: DG°^I 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)  

RM -->   esteri e tioestesi, alcol terziario/secondario, trappola per elettroni, tiazolo, tioli e ponti disolfuro, potenziale redox 

II complesso della piruvato deidrogenasi: reazioni, enzimi e coenzimi. Fonti metaboliche di acetil CoA. Reazioni ed enzimi del ciclo. Termodinamica e regolazione (ruolo di ATP e NADH). 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 

RM -->atomo di idrogeno, idrogenione (protone), elettrone, ione idruro, reazione redox e potenziali redox, Fe e Cu nelle reazioni redox, i protoni nelle reazioni redox, gradiente, reazioni esoergoniche/endoergoniche/all'equilibrio, pirrolo 

Potenziali redox e termodinamica delle reazioni di ossidoriduzione. I quattro complessi della catena respiratoria e i siti di accoppiamento. Trasportatori fissi e mobili di elettroni: ubichinone, citocromo c e altri citocromi, centri FeS, coenzimi flavinici, centro binuclearFe-Cu. I fornitori di elettroni all'ubichinone. Accoppiamento tra flusso degli elettroni e fosforilazione ossidativa. Sintesi dell'ATP: ipotesi chemiosmotica. Struttura e funzione dell'ATP sintasi. Regolazione. Principali inibitori della fosforilazione ossidativa. Il disaccoppiamento. Sistemi navetta per il trasporto degli elettroni del NADH citosolico. Citocromo c  e apoptosi.

VIA DEI PENTOSO FOSFATI 

RM --> Potere riducente, lattone, trappole per elettroni, base di Schiff, rottura omolitica e non 

Generalità, scopi e confronto con la glicolisi. Corredo enzimatico della via dei pentoso fosfati: fase ossidativa e fase non ossidativa. Quattro "scenari metabolici" legati al fabbisogno di NADPH, riboso-5-fosfato e ATP. Fonti di NADPH alternative alla via dei pentosi: enzima malico. NADPH e glutatione reduttasi. Favismo e altre carenze di glucoso-6-fosfato deidrogenasi. Funzioni del NADPH. Reazioni monossigenasiche.

METABOLISMO DEL GLICOGENO 

Struttura e funzione del glicogeno. Demolizione del glicogeno: scissione fosforolitica, enzimi deramificanti. Fosfoglucomutasi e destino del glucoso-6-fosfato. Sintesi del glicogeno: ruolo di glicogenina e UDP-glucoso. Enzima ramificante. Costi della sintesi del glicogeno. Regolazione del metabolismo del glicogeno. Il calcio e la calmodulina. 

GLUCONEOGENESI

Generalità: il glucosio….ad ogni costo! II glucosio da precursori non glicidici: glicerolo, lattato, alanina-piruvato, amminoacidi (ruolo-cerniera del ciclo di Krebs). Confronto tra glicolisi e gluconeogenesi. La piruvato carbossilasi, un enzima polifunzionale. Gli altri enzimi "peculiari" della gluconeogenesi: PEP-carbossichinasi, fruttoso-l,6-bisfosfatasi e glucoso-6-fosfatasi. Il ciclo di Cori e il ciclo dell'alanina. Regolazione ormonale del metabolismo glicidico: glucagone, adrenalina, cortisolo. 

METABOLISMO LIPIDICO - GLI ACIDI GRASSI 

RM --> legame di estere, tioesteri, anidride mista carbossi-fosforica 

Degradazione e sintesi dei triacilgliceroli  nel duodeno, negli adipociti e nel fegato. Destino metabolico di glicerolo e acidi grassi. Degradazione degli acidi grassi. Attivazione degli acidi grassi e trasferimento nella matrice mitocondriale. La b-ossidazione: reazioni, enzimi e coenzimi. Bilancio energetico della b-ossidazione. Ossidazione degli acidi grassi a catena dispari di atomi di carbonio. La chetogenesi e i corpi chetonici. 

Sintesi degli acidi grassi: confronto con la b-ossidazione. Trasporto di equivalenti di acetil-CoA dal mitocondrio al citosol: ruolo del citrato e dell'enzima malico. La acetil-CoA carbossilasi: confronto con altri biotin-enzimi. Organizzazione strutturale della acido grasso sintasi animale. Reazioni della sintesi degli acidi grassi. Costi di trasporto e di produzione. Le prostaglandine. Regolazione del metabolismo degli acidi grassi.

METABOLISMO LIPIDICO - I LIPIDI DI MEMBRANA E IL COLESTEROLO

RM --> tioesteri, alcol/aldeide/carbossile, (tio)estere/(tio)semiacetale, addizione elettrofila, elettroni p, epossidi ed epossidazione, protonazione, protonazione stereospecifica 

Il metabolismo dei fosfolipidi (cenni). Il metabolismo degli isoprenoidi in procarioti ed eucarioti: ramificazioni principali. Generalità sulla biosintesi del colesterolo: localizzazione cellulare, diramazioni, fabbisogno di NADPH e ATP (costi di produzione e costi di trasporto). HMG-CoA reduttasi e sintesi del mevalonato, trasformazione del mevalonato nell'unità isoprenica attivata, sintesi dello squalene e sua ossidazione, ciclizzazione dello squalene epossido (esempi di ciclasi animali e vegetali), trasformazione del lanosterolo in colesterolo (patologie associate, ruolo delle monossigenasi). Il carattere aerobico della sintesi del colesterolo. I fattori SREBP e le proteine Hedgehog. Le lipoproteine. Il controllo della biosintesi e del trasporto del colesterolo. L'ipercolesterolemia famigliare. Vecchi e nuovi inibitori della biosintesi del colesterolo. Derivati del colesterolo: ormoni steroidei (glucocorticoidi, mineralcorticoidi, sessuali), steroidi neuroattivi, acidi biliari, vitamina D₃, ossisteroli. Meccanismo d'azione degli ormoni steroidei. Biosintesi degli ormoni steroidei: ruolo delle monoossigenasi. La prenilazione delle proteine: le Ras-farnesil transferasi. Colesterolo (e derivati) e cancro. 

METABOLISMO DEGLI AMMINOACIDI - CATABOLISMO

RM --> base di Schiff (formazione/idrolisi/protonazione), anello piridinico, trappole per elettroni, anidride mista carbossi-fosforica, ammoniaca e sua ionizzazione, gruppo guanidinico e sua idrolisi, gruppo amidinico, gruppo fosfoguanidinico.

II catabolismo delle proteine della dieta e cellulari. Il sistema ubiquitina-proteasoma. Le proteine come riserva "remota" di glucosio. Destino metabolico degli amminoacidi: amminoacidi glucogenici e chetogenici. Deamminazione per transamminazione: meccanismo catalitico. Altre reazioni PLP-dipendenti. Deamminazione ossidativa: la glutamico deidrogenasi. Ruolo catalitico dell'a-chetoglutarato. Eliminazione dell'azoto: organismi ammoniotelici, uricotelici e ureotelici. Sintesi mitocondriale del carbammilfosfato. Ciclo dell'urea: reazioni ed enzimi. Collegameno tra il ciclo dell'urea e il ciclo di Krebs.  Il ruolo centrale del glutammato nel metabolismo azotato. Compartimentazione cellulare e regolazione del ciclo dell'urea. Sintesi di creatina e fosfocreatina. 

METABOLISMO DEGLI AMMINOACIDI - BIOSINTESI 

Biogenesi dell'azoto organico: glutammato deidrogenasi, glutammina sintetasi. Amminoacidi essenziali e non essenziali. Caratteristiche generali della biosintesi degli amminoacidi. Famiglie biosintetiche degli amminoacidi. Sintesi per transamminazione da a-chetoacidi. Interconversione serina-glicina (enzima serina idrossimetil transferasi). Il metabolismo delle unità monocarboniose: i derivati del tetraidrofolato e la S-adenosil metionina. La metilcobalamina. Schema generale del metabolismo delle unità monocarboniose. Biosintesi della tirosina dalla fenilalanina: ruolo della biopterina. Fenilchetonuria e alcaptonuria. Biomolecole da amminoacidi (strutture, funzioni e aspetti biosintetici comuni). Arginina e NO. 

METABOLISMO DEI NUCLEOTIDI

 Funzioni dei nucleotidi. Struttura di nucleotidi, nucleosidi, basi puriniche e pirimidiniche. Aspetti generali del metabolismo dei nucleotidi: vie de novo e vie di recupero. Il 5-fosforibosilpirofosfato (PRPP), metabolita chiave delle vie biosintetiche dei nucleotidi. Origine degli atomi degli anelli purinico e pirimidinico e strategie biosintetiche. AMP e GMP da IMP. Formazione dei deossiribonucleotidi: la ribonucleotide reduttasi. Timidilato sintasi: meccanismo di reazione, inibitori, associazione funzionale con la diidrofolato reduttasi. Ipotesi sulla funzione del 5-metile nella timina. Recupero e degradazione dei nucleotidi. Costo della sintesi dei nucleotidi. Riepilogo sull'intreccio metabolico tra amminoacidi e nucleotidi.

ACIDI NUCLEICI E LA LORO STRUTTURA. La struttura del DNA e dell'RNA, struttura terziaria del DNA, cromatina e ruolo dei nucleosomi nell'espressione genica. Superavvolgimenti. I nucleosomi. I cromosomi. mRNA, tRNA, rRNA, RNA, gli RNA non codificanti (ncRNA), ruolo dei microRNA.

IL GENOMA UMANO. Il genoma. I geni, alleli, SNP, "DNA spazzatura", trasposoni, sequenziamento genoma umano e medicina personalizzata.

PROGRAMME

Structure and function of proteins, carbohydrates and lipids

PROTEINS - Structure and properties of aminoacids. Aminoacid families. Peptide bond and secondary structures. Tertiary  and quaternary structure. Folding, unfolding. Chaperones and misfolding diseases. Mioglobin and haemoglobin: the globin fold and heme group. The allosteric behaviour of Hb. Oxygen-haemoglobin dissociation curve. Bohr and 2,3-BPG effects.

CARBOHYDRATES - Classes, functions, structures. Glucose, fructose. Aminosugars and mucopolysaccharides. Mucopolysaccharidoses.

LIPIDS- Classes, functions, structures. Saturated and unsaturated fatty acids. Glycerophospho- and sphingolipids. Terpenes and lipophilic vitamins. Cholesterol. Biological membranes.

 Enzyme kinetics

An overview on the enzymatic reactions. Transition state theory. Covalent and non covalent catalysis. Proteases: a recapitulating example. Michaelis-Menten kinetics: experimental design and kinetic model. T and pH effect. Kinetic parameters and their measure. Inhibitors: classes and examples. Enzyme regulation. Allosteric enzymes.

 Metabolism

INTRODUCTION - Catabolic and biosynthetic processes. Thermodynamics of biochemical reactions. ATP: structure, properties, reactions. Other "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. Comparison between carbohydrates and lipid degradation. Ketone bodies. Synthesis of fatty acids: transport of acetyl-CoA from mitochondrion, acetyl-CoA activation, fatty acid synthase complex. Regulation of lipid metabolism. Cholesterol biosynthesis and distribution. LDL uptake and hypercholesterolemia. Steroid hormones. Protein prenylation.

Protein catabolism. Glucogenic and ketogenic aminoacids. Aminotransferases. Removalofamino acidnitrogen asammonia. Urea cycle. Aminoacid biosynthetic families. Monocarbon unit metabolism, role of tetrahydrofolate and S-adenosyl methionine. Biomolecules from aminoacids.

Purines and pyrimidine nucleotide  metabolism: de novo synthesis and rescue. Biosynthetic origin of the atoms inpurineand pyrimidine bases. Synthesis of deoxyribonucleotides and thymine.

Structure of the nucleic acids. DNA and RNA. 

Structure of DNA. Super-coiled helixes. Nucleosomes. Chromosomes. mRNA, tRNA, rRNA and ncRNA.

Human genome.

 The genome. Genes, allels, SNP, "junk DNA", transposons, human genome sequencing and personalized medicine.

The course consists of 64 hours of lectures that will be held in the presence.

PDFs of the lessons and other materials presented during the lessons will be uploaded to Moodle.

Communication with students takes place via e-mail and requires registration on the Campusnet page of the course.

Written and oral exam (both mandatory). The duration of the exam is 1 hour and 30 minutes. The exam questions (generally 4 with different scores depending on the difficulty), always cover all the sections of the program (systematic biochemistry, enzymatic kinetics and regulation, metabolic biochemistry, DNA, RNA).To facilitate the understanding of the questions and to help in the rational elaboration of their answers, in addition to the general title of the requested topic, the specific and most relevant topics that the student will have to elaborate in the answer will be indicated in detail. Of the molecules described in the systematic section (amino acids-peptides, glycides, lipids, nucleotides) it is necessary to know well both the structure and the function (generally two questions with a maximum score of 6 each). Regarding metabolic biochemistry: the student is asked to describe in detail metabolic pathways, demonstrating knowledge of the chemical structure of all intermediates, regulatory reactions and enzymes, energy balance and intertwining with the other metabolic pathways (generally two questions with a maximum score of 9 each). In the evaluation, the ability to recognize the connections between different topics and the demonstration of having drawn on sources other than the notes or slides proposed in class will be particularly appreciated.

Those who have passed the written exam with a mark equal to or greater than 18/30 will be admitted to the oral interview, at a date subsequent to the written exam, according to a calendar established by the teacher.

The oral exam:

- the oral, as always, provides for a possible correction or further study of the topics of the written and always from questions regarding other topics of the program (not required in the written) to evaluate the mastery of the program both as links between the various themes and metabolisms , both on regulation and on knowledge of structures and formulas. As always, knowledge of the structures, formulas and reactions will be "indispensable" to continue and pass the exam.

As for the lessons, I am available (by appointment) to provide further explanations or clarifications regarding the online exam.

ESSENTIAL REQUIREMENTS

A good background in organic chemistry is essential.