Università degli studi dell'Insubria

BIOCHIMICA E BIOINFORMATICA

A.A. di erogazione 2017/2018
Insegnamento obbligatorio

Laurea triennale in BIOTECNOLOGIE
 (A.A. 2016/2017)

Docenti

Anno di corso: 
2
Tipologia di insegnamento: 
Caratterizzante
Settore disciplinare: 
BIOCHIMICA (BIO/10)
Crediti: 
11
Ore di attivita' frontale: 
88
Dettaglio ore: 
Lezione (88 ore)

Obiettivi formativi
Il modulo di Metabolismo è orientato alla descrizione della struttura e della funzione delle principali classi di biomolecole (proteine, acidi nucleici, zuccheri e lipidi), così come alla presentazione del complesso intreccio tra le vie metaboliche (cataboliche e biosintetiche). Questo modulo si propone di offrire le basi per una dettagliata conoscenza molecolare della vita e per le moderne applicazioni biotecnologiche di organismi e biomolecole. Il modulo di Bioinformatica ha lo scopo di fornire allo studente le nozioni di base (sia teoriche che applicative) per la comprensione del funzionamento e dell’utilizzo degli approcci computazionali nella moderna ricerca biochimica.

RISULTATI DI APPRENDIMENTO ATTESI

Conoscenza e capacità di comprensione
- Acquisire gli elementi fondamentali della Chimica Biologica come base per la comprensione dei principali meccanismi fisiologici di assimilazione, trasformazione ed escrezione delle sostanze nutritive;
- possedere le informazioni necessarie per la comprensione delle basi molecolari e metaboliche di patologie umane e disfunzioni correlate alla alimentazione;
- conoscere le principali banche dati biologiche e gli strumenti informatici di base per le analisi di sequenze di nucleotidi o proteine e per la predizione di proprietà funzionale/strutturali di macromolecole.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione
- Saper applicare le conoscenze acquisite di chimica e di biologia cellulare alla analisi delle basi molecolari della funzionalità dell'organismo umano e della sua integrazione con l'ambiente;
- abilità a cogliere le interconnessioni tra strutture macromolecolari e metabolismo nella loro interdipendenza e regolazione;
- acquisire la capacità di utilizzare gli strumenti bioinformatici (banche dati, server, software installati in locale).
Autonomia di giudizio
- Abilità a comprendere e discutere criticamente le alterazioni di processi metabolici che portano a disfunzioni patologiche o a potenziali applicazioni biotecnologiche;
- abilità a comprendere e discutere criticamente i risultati di analisi bioinformatiche e di comprendere i punti di forza e i limiti degli approcci computazionali.
Abilità comunicative
- Dimostrare capacità di estrarre e sintetizzare l'informazione rilevante;
- dimostrare di saper comunicare in maniera efficace sia oralmente che in forma scritta;
- dimostrare abilità di riassumere e presentare l'informazione (anche in termini matematici e grafici)
- dimostrare di essere in grado di estrapolare le informazioni rilevanti fornite dalle analisi bioinformatiche e di presentarle in maniera chiara e concisa.
Capacità di apprendimento
- Capacità di leggere, comprendere e commentare un testo scientifico di biochimica;
- abilità ad utilizzare queste conoscenze per valutare criticamente gli obiettivi e/o i risultati di un progetto di ricerca di ambito biochimico secondo sia l’approccio quantitativo che qualitativo.

Prerequisiti: conoscenze di Biologia cellulare, di Chimica generale e, soprattutto, di Chimica organica.

Modulo di Metabolismo 8 CFU
L'acqua e le soluzioni acquose: Proprietà chimico-fisico dell'acqua. Equilibrio acido-base.
Amminoacidi e Proteine: a) Struttura, proprietà chimiche. II legame peptidico. Cenni sulle principali metodiche analitiche e preparative di amminoacidi e peptidi. b) Livelli di organizzazione strutturale delle proteine e interazioni stabilizzanti. Cenni sulle principali tecniche di analisi della struttura delle proteine.
Carboidrati: Principali aldosi e chetosi. Chiralità e stereoisomeria. Principali oligosaccaridi di interesse alimentare. Polisaccaridi e proprietà chimico-fisiche.
Lipidi: Classificazione. Acidi grassi: struttura,classificazione,proprietà chimico-fisiche.Gli steroli.Le membrane biologiche e il trasporto di membrana: meccanismi di trasporto. Pompe e canali ionici.
Nucleotidi e acidi nucleici: Definizione di nucleoside, nucleotide e nucleotide ciclico. Struttura degli acidi nucleici.
Gli enzimi: Cinetica chimica e catalizzatori biologici.Nomenclatura e classificazione degli enzimi.Cinetica enzimatica. L’inibizione enzimatica. Gli isoenzimi.
Introduzione al metabolismo: Parametri termodinamici biochimici.Produzione,interconversione e consumo di energia nelle cellule. Reazioni chimiche accoppiate. Molecole ad alta energia di trasferimento. L'ATP come trasportatore universale di energia metabolica.
Metabolismo dei carboidrati: La glicolisi e I 'ossidazione. La fermentazione alcolica e lattica. Glicogenolisi. Gluconeogenesi. II ciclo di Cori. La via del pentoso fosfato. Glicogenosintesi.La fotosintesi.
Ciclo degli acidi tricarbossilici (tappe, significato e regolazione, bilancio energetico).
La fosforilazione ossidativa (i componenti della catena respiratoria, inibitori e disaccoppianti).
Metabolismo dei lipidi: cenni sulla digestione e I'assorbimento dei lipidi.Beta-ossidazione degli acidi grassi saturi (tappe, significato e regolazione, bilancio energetico). Metabolismo dei corpi chetonici. Biosintesi degli acidi grassi (tappe, significato e regolazione). Cenni del metabolismo del colesterolo.
Metabolismo delle proteine: Amminoacidi essenziali e significato alimentare delle proteine. Destino metabolico dell'ammoniaca. II ciclo dell'urea.
Metabolismo dei nucleotidi: generalità sul catabolismo dei nucleotidi piridinici e purinici.
Meccanismi di controllo metabolico: Principali meccanismi di regolazione del metabolismo.
La replicazione del DNA. La trascrizione del DNA. La sintesi proteica: I ribosomi, i tRNA e i fattori solubili.
Esercitazioni di calcolo in aula:
Sistemi tampone ed equazione di Henderson-Hasselbach applicata a molecole biologiche
Calcolo della variazione di energia libera associata a reazioni del metabolismo.
L’attività enzimatica: determinazione dei parametri cinetici e dell’inibizione

Modulo di Bioinformatica 3 CFU
Definizione e scopi degli approcci bioinformatici e computazionali. Introduzione alle principali banche dati biologiche. Gli operatori booleani.
Ricerca e analisi di sequenze di macromolecole. Il confronto di due sequenze. Le matrici a punti. Allineamenti locali e globali, matrici di punteggio a sostituzione.
Utilizzo di BLAST e PSI-BLAST per la ricerca di sequenze in banche dati.
Allineamento multiplo di sequenze e gli alberi filogenetici e l’utilizzo delle informazioni contenute nelle sequenze per la ricostruzione della storia evolutiva di una macromolecola.
La predizione della struttura secondaria delle proteine in base alla sequenza aminoacidica. Assegnazione della struttura secondaria in base alle coordinate atomiche. Previsione di sequenze segnale e siti di proteolisi. Modellizzazione per omologia. Cenni dei metodi ab-initio. Confronto tra 2 strutture.

Lezioni frontali del docente: 72 ore
Esercitazioni in presenza del docente: 24 ore

L’esame è volto a valutare le capacità raggiunte dallo studente in relazione a:
1. conoscenza e comprensione delle basi teoriche e di collegare i vari aspetti della chimica biologica.
2. capacità di cogliere le interconnessioni fra i diversi cicli metabolici e ragionare in maniera autonoma sulle problematiche della regolazione del metabolismo. Capacità di estrarre informazione da un testo e di individuare gli aspetti critici;
3. possesso di conoscenze di carattere quantitativo per descrivere anche a livello matematico i fenomeni biochimici.

In dettaglio:
- Esame scritto: lo studente sarà chiamato ad utilizzare le conoscenze relative alle sezioni “Macromolecole biologiche” e alle “Esercitazioni di calcolo” del programma in una verifica scritta organizzata secondo: a) quattro quesiti inerenti la struttura delle macromolecole biologiche (a cui viene attribuita metà della valutazione in termini quantitativi), b) due problemi (a cui viene attribuita metà della valutazione in termini quantitativi). L’esito dell’esame sarà in trentesimi: la prova si ritiene superata con una votazione di almeno 18/30 (peso sul voto finale: 30%).
- Il superamento della prova scritta permetterà di sostenere la prova orale. Nella prova orale lo studente sarà chiamato ad utilizzare le conoscenze relative alle sezioni “Il metabolismo“, “Integrazione del metabolismo e signalling cellulare” e “Il metabolismo informazionale” del programma dimostrando la conoscenza delle reazioni relative ai cicli metabolici, e alla loro interrelazione e regolazione. L’esito dell’esame sarà in trentesimi: la prova si ritiene superata con una votazione di almeno 18/30 (peso sul voto finale: 50%).
- Le conoscenze apprese nel modulo di Bioinformatica saranno valutate con la produzione di un elaborato volto a valutare la capacità di applicare l’approccio bioinformatico per la soluzione di problemi biologici. La prova si ritiene superata con una votazione di almeno 18/30 (peso sul voto finale: 20%).

Il voto finale sarà la media pesata dell’esito delle singole prove.

Slide lezioni: scaricabili dal sito E-learning
Esercizi: scaricabili dal sito E-learning
Attività pratiche in laboratorio: dispense fornite dal docente e slide scaricabili dal sito E-learning.
Software disponibile gratuitamente scaricabile da internet
Testi:
Modulo di Biochimica (uno a scelta)
Berg J., Timoczcko J.L., Stryer L., Biochimica (Zanichelli)
Voet D., Voet J.G. Pratt C.W., Fondamenti di biochimica (Zanichelli)
Nelson D.L., Cox M.M., I principi di biochimica di Lehninger (Zanichelli)
Garrett, Grisham, Principi di biochimica (PICCIN)
Matthews, Van Holde, Ahern, Biochimica (Casa Editrice Ambrosiana)
Baynes J.W., Dominiczak M.H., Biochimica per le discipline biomediche (Elsevier)
Campbell M.K., Farrell S.O., Biochimica 4a ed. (EdiSES)
Modulo di Bioinformatica (uno a scelta)
Pascarella S., Alessandro P., Bioniformatica (Zanichelli)
Valle G., Helmer Citterich M., Attimonelli M., Pesole G., Introduzione alla bioinformatica (Zanichelli)
Tramontano A., “BIOINFORMATICA” (Zanichelli)

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A.A. 2019/2020

Anno di corso: 2
Curriculum: INDIRIZZO GENERALE

A.A. 2018/2019

Anno di corso: 2
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A.A. 2017/2018

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Curriculum: INDIRIZZO GENERALE

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Anno di corso: 2
Curriculum: INDIRIZZO GENERALE