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 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).

KNOWLEDGE AND UNDERSTANDING ABILITY Acquisition of knowledge relating to Biochemistry, in particular regarding biomolecules, their role in the cell, the metabolic pathways, enzymes and how they are regulated and interconnected with each other.

ABILITY TO APPLY KNOWLEDGE AND UNDERSTANDING. Acquisition of the ability to apply knowledge relating to general biochemistry to identify the importance and relationship of biomolecules and of metabolic pathways with pathologies and the related use of drugs.

AUTONOMY OF JUDGMENT Acquisition of conscious autonomy of judgment with reference to the evaluation and interpretation of new information inherent to the chemistry of the cell, on the basis of the knowledge acquired to have a critical skepticism towards everything that, in the field of health, does not rest on solid scientific foundations.

COMMUNICATION SKILLS Acquisition of skills and tools for communicating in written and oral form on topics relating to Biochemistry, in Italian, together with the use of graphic and formal languages ​​acquired in lessons.

LEARNING ABILITY Acquisition of autonomous learning and self-evaluation skills of the own preparation, suitable for undertaking studies in subsequent courses with a high degree of autonomy.

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 - INIBITORI E REGOLAZIONE

Classificazione. Tipi di catalisi. Effetto di pH e T. Inibitori. Enzimi allosterici. Inibitori irreversibili e reversibili. Inibitori reversibili competitivi, acompetitivi, misti e non competitivi. 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).

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.

                                                               REPLICAZIONE, RIPARAZIONE DEL DNA.

Apparato di replicazione, le proteine ed enzimi coinvolti. Le DNA polimerasi e necessità dei primers. Differenze tra eucarioti e procarioti. La trascrittasi inversa. Correzione degli errori di replicazione: primo e secondo livello di correzione degli errori di replicazione. Mutazioni e cancro.

                                                      LA TRASCRIZIONE: SINTESI E MATURAZIONE DELL'RNA.

La RNA polimerasi DNA dipendenti, caratteristiche della sintesi, e le tappe della trascrizione..I promotori, gli elementi di risposta, i fattori trascrizionali e regolazione della trascrizione genica. Sintesi dell'RNA. Maturazione dell'mRNA (5'-cap, 3'-poliA, splicing).

 LA TRADUZIONE: CODICE GENETICO E SINTESI DELLE PROTEINE. 

Definizione e caratteristiche del codice genetico. Appaiamento codone-anticodone. mutazioni; amminoacil-tRNA sintetasi, sue caratteristiche e ruolo nella sintesi proteica. Sintesi delle proteine: descrizione delle diverse tappe. Inibitori della sintesi delle proteine: antibiotici, tossine. modificazioni post-traduzionali 

 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. 

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.

Replication, DNA repair mechanisms and DNA recombination.

The DNA polymerases and DNA replication machinery. The inverse transcriptase. Systems of DNA repairing.

 Transcription: RNA synthesis and maturation.

RNA polymerase DNA-dependent. Promoters. RNA synthesis. Maturation of mRNA.

Translation: genetic code and protein synthesis.

Definition and characteristics of the genetic code. Proteins synthesis. Protein synthesis inhibition: antibiotics, toxins.

TESTBOOKS

NELSON,    COX       INTRODUZIONE ALLA BIOCHIMICA      ZANICHELLI       

                                                   DI   LEHININGER

CAMPBELL,  FARREL              BIOCHIMICA                             EdiSES                

NELSON,    COX                  I  PRINCIPI DI  BIOCHIMICA      ZANICHELLI         

                                                     DI   LEHININGER

MATHEWS,     VAN HOLDE         BIOCHIMICA         CASA  ED. AMBROSIANA   

STRYER (V ED.)                          BIOCHIMICA                        ZANICHELLI            

VOET & VOET                FONDAMENTI DI BIOCHIMICA        ZANICHELLI             

The course consists of 64 hours of lectures that will be held in the presence, according to the timetable.

PDFs of the lessons and all the material presented during 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, 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. During the oral exam, you will be asked to write formulas or structures on a sheet and have it seen by the commissioners of the session. As always, even in "face-to-face" exams, 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.

As it will be indicated in class, PDF slides of the lessons and other material
presented in class will be available. This teaching material must be accompanied
in a complementary way by the textbook: one of those indicated in the list
and explained in class.

Essential requirement: Animal Biology, Plant Biology, Cell Phisiology. Good background organic chemistry is essential to attend the course in a profitable manner.