SSD: BIO/10

(10 CFU – 105 ore)

Docente: prof. Luigi Xodo

Obiettivi formativi

L’obiettivo complessivo che lo studente deve aver conseguito alla fine del Corso è la comprensione dei “meccanismi molecolari e biochimici che stanno alla base dei processi vitali delle cellule e le loro attività metaboliche”. A tal fine, l’obiettivo della prima parte del corso (Propedeutica Biochimica, 4 crediti) è che lo studente: a) conosca le proprietà strutturali, fisiche e chimiche dei principali composti organici a basso peso molecolare di specifico interesse biologico-medico, le loro proprietà biochimiche e la loro rilevanza bio-medica. Tali conoscenze, insieme con quelle acquisite nel Corso Integrato di Scienze di Base, sono indispensabili per affrontare le successive parti del Corso (Biologia Cellulare, 1 credito; Chimica Biologica (5.5 crediti) e Biochimica Cellulare (5.5 crediti) e per conseguirne i relativi obiettivi: b) aver compreso il rapporto tra struttura e funzione nelle macromolecole di interesse biologico, c) conoscere l’organizzazione compartimentale della cellula, d) aver compreso i processi metabolici che avvengono al suo interno e la loro integrazione nell’organismo.

Elementi conoscitivi che lo studente deve avere per affrontare il corso.

Lo studente deve conoscere gli elementi forniti dal Corso Integrato di SCIENZE DI BASE. In particolare deve conoscere le proprietà strutturali, fisiche e chimiche dei principali elementi e composti inorganici di specifico interesse biologico-medico, nonché le loro proprietà biologiche e la loro rilevanza bio-medica. Lo studente deve aver inoltre acquisito gli elementi di elettrochimica, di cinetica e di termodinamica dei processi chimici, che sono propedeutici sia alla comprensione delle reazioni caratteristiche dei composti organici d’interesse biomedico, sia allo studio della funzione e del metabolismo delle biomolecole.

Programma

BIOCHIMICA STRUTTURALE

Le proteine del plasma.

Principali proteine del plasma e loro funzioni. Analisi elettroforetica delle proteine plasmatiche nella diagnosi delle malattie. Esempi di profili elettroforetici alterati.

Proteine del tessuto connettivo.

Struttura del protocollageno. Idrossilazione Pro e Lys e ruolo della vitamina C. Struttura e biochimica della vitamina C. Effetti dovuti a deficit di vitamina C. Stabilità dell'elica del collageno. Biosintesi del collageno. Scorbuto. Collagenopatie: osteogenesi imperfetta, sindrome di Ehlers-Danlos. Struttura e funzione dell'elastina.

Proteine coniugate.

Glicoproteine N-glicosilate e O-glicosilate. Struttura e funzione delle immunoglobuline. Classi di immunoglobuline. Proteine glicate. Proteine della matrice extracellulare: proteoglicani e glucosoaminiglicani.

Enzimi e cinetica enzimatica.

Nomenclatura e classificazione degli enzimi. Velocità di reazione. Concetto di energia di attivazione e funzione di un catalizzatore. Interazione enzima-substrato. Modello cinetico di Michaelis-Menten. Significato fisiologico e "termodinamico" della costante KM. Velocità max e numero di turnover. Diagramma dei doppi reciproci. Inibitori competitivi, non competitivi e incompetitivi. Regolazione allosterica e covalente dell'attività enzimatica. Zimogeni. Dosaggio degli enzimi e suo significato clinico Utilizzo degli enzimi in campo terapeutico.

Coenzimi utilizzati nelle reazioni metaboliche.

Struttura chimica e basi strutturali della funzione coenzimatica dei seguenti coenzimi: acido lipoico; coenzimi piridinnucleotidici NAD e NADP, derivati dalla vitamina PP (nicotinamide); tiamina pirofosfato, derivato dalla vitamina B1 (tiamina); coenzima A, derivato dal pantotenato; coenzimi flavinici FAD e FMN, derivati dalla vitamina B2 (riboflavina); biotinil coenzima, derivato dalla vitamina H (biotina); piridossale fosfato, derivato dalla vitamina B6 (piridossina, piridossale, piridossamina); tetraidrofolato, derivato dal folato; deossiadenosil cobamide e metilcobamide, derivati dalla vitamina B12 (cobalamina). Distribuzione e fabbisogno delle corrispondenti vitamine e conseguenze di un loro deficit.

Membrane e trasporto.

Acidi grassi: nomenclatura e caratteristiche strutturali degli acidi grassi saturi ed insaturi più rappresentati nei sistemi biologici. Glicerofosfolipidi. Sfingofosfolipidi. Colesterolo. Modello a mosaico fluido. Proteine periferiche e integrali di membrana. Diffusione semplice e trasporto mediato da proteine. Cinetica di trasporto. Trasporto passivo e attivo. Trasporto attivo primario e secondario. Uniporto. Simporto. Antiporto. Trasportatori del glucosio, La Na/K ATPasi. Secrezione del succo gastrico. Coagulazione del sangue.

BIOCHIMICA MEDICA

Emoglobina e trasporto dell'ossigeno.

Strutture della mioglobina e emoglobina. Gruppo eme. Proprietà del legame ossigeno-eme e del legame ossigeno-CO. Curve di dissociazione ossigeno-Hb e ossigeno-Mb. Concetto di cooperatività e allosterismo. Descrizione analitica delle curve di dissociazione. Hb nella conformazione tesa e rilassata. Effetto Bohr. Effetto del 2,3DPG. Importanza fisiologica di 2,3DPG. Trasporto isoidrico dell'anidride carbonica dai tessuti ai polmoni. Proprietà chimiche del tampone bicarbonato. Alterazioni dell'equilibrio acido-base del plasma: acidosi respiratoria/metabolica e alcalosi respiratoria/metabolica. Meccanismi di compensazione. Emoglobina fetale. Emoglobinopatie: anemia falciforme e talassemie. Basi molecolari, diagnosi, trattamento e distribuzione geografica della anemia falciforme. Degradazione del gruppo eme. Forme di ittero. Sintesi del gruppo eme.

Bioenergetica e ossidazioni biologiche.

Catabolismo e anabolismo. ATP: un composto ad alta energia. Le basi strutturali delle differenze in energia libera. Altri composti ad alta energia: anidridi miste, enol-fosfato, tioesteri. Effetto dell'eneria libera di idrolisi dell'ATP sulle reazioni metaboliche. Strategie molecolari per la produzione di ATP. Reazioni chimiche accoppiate. Ossidazioni e riduzioni. Potenziali di riduzione. Carica energetica della cellula.

Processi anaerobici.

Digestione degli zuccheri. La via glicolitica. Metabolismo del 2,3 DPG. Resa in ATP della glicolisi. I destini metabolici del piruvato. Il metabolismo del lattato. Fermentazione alcolica. Regolazione della glicolisi. PFK-2 e l'enzima chinasi-fosfatasi. Regolazione ormonale. Aspetti clinici della glicolisi: acidosi lattiche, deficit di piruvato chinasi negli eritrociti.

Complesso della piruvato DH.

Trasformazione del piruvato in acetil-CoA. Il complesso della piruvato deidrogenasi e suo meccanismo di catalisi. Struttura e funzione dei coenzimi coinvolti. Deficit vitaminici.

Metabolismo di monosaccaridi diversi dal glucosio.

Metabolismo dei disaccaridi: saccarosio, maltosio e lattosio. Metabolismo del mannosio, fruttosio e galattosio. Galattosemia.

Ciclo di Krebs.

Panoramica del ciclo di Krebs. Reazioni di decarbossilazione. Resa di ATP del ciclo di Krebs. Natura anfibolica del ciclo di Krebs. Reazioni anaplerotiche. Regolazione del ciclo di Krebs. Aspetti clinici del metabolismo ossidativo Fosforilazione ossidativa Struttura del mitocondrio. Sistemi navetta malato-aspartato e G-3P. Componenti della catena di trasporto degli elettroni. I trasportatori di elettroni della catena respiratoria. Caduta dei potenziali di ossidazione lungo la catena di trasporto degli elettroni. Fosforilazione ossidativa. Il rapporto P/O: l'efficienza della fosforilazione ossidativa. Il sistema enzimatico per la produzione di ATP. Il meccanismo della fosforilazione ossidativa: l'accoppiamento chemiosmotico. Inibitori e disaccoppianti della fosforilazione ossidativa. Resa ATP dall'ossidazione completa del glucosio. Proprietà chimiche dell'ossigeno. Intermedi reattivi dell'ossigeno. Tossicità dell'ossigeno parzialmente ridotto. Anione superossido, perossido, e radicali liberi ossidrilici. Sperossido dismutasi, catalasi e glutatione perossidasi.

Shunt dell’esoso monofosfato.

Fase ossidativa e produzione di potere riducente sotto forma di NADPH. La fase non ossidativa di interconversione dei pentosi fosfati. Bilancio e regolazione del ciclo dei pentoso fosfati. Malattie genetiche dell'uomo che interessano enzimi della vie dei pentosi fosfati.

Gluconeogenesi e controllo del glucosio ematico.

Significato metabolico e precursori non glucidici della sintesi di glucosio, organi nei quali la gluconeogenesi e’ attiva, localizzazione subcellulare degli enzimi, Reazioni e costo energetico della sintesi di glucosio a partire da piruvato, regolazione allosterica ed ormonale degli enzimi regolatori, significato della presenza dell'enzima glucosio-6-fosfatasi nel fegato, meccanismo e significato metabolico del ciclo muscolo-epatico di Cori e dell'alanina .Metabolismo dell’etanolo.

Metabolismo del glicogeno.

Struttura chimica e distribuzione del glicogeno nell'organismo, e suo significato metabolico in relazione alla elevata concentrazione epatica e muscolare; reazioni ed enzimi della glicogenosintesi e della glicogenolisi; regolazione ormonale ed allosterica degli enzimi regolatori.

Digestione dei lipidi e lipoproteine plasmatiche.

Lipidi della dieta. Fasi della digestione ed assorbimento dei lipidi della dieta e trasporto in circolo con i chilomicroni. Lipidi di sintesi endogena: caratteristiche strutturali e funzionali e metabolismo intravasale delle classi di lipoproteine VLDL, IDL, LDL, HDL. Funzione, localizzazione tissutale e regolazione ormonale dell'enzima lipoproteina lipasi, funzione dell'enzima LCAT.

Lipolisi.

Attivazione citoplasmatica degli acidi grassi e ruolo della carnitina. Beta ossidazione degli acidi grassi saturi ed insaturi. Resa energetica dell'ossidazione completa degli acidi grassi saturi ed insaturi. e a numero pari e dispari di atomi C. Sintesi epatica dei corpi chetonici. Condizioni metaboliche che favoriscono la chetogenesi. Chetosi. Regolazione ormonale della lipolisi

Litogenesi.

Precursori e reazioni della biosintesi citoplasmatica degli acidi grassi. Funzionamento del complesso dell'acido grasso sintetasi. Costo energetico della biosintesi degli acidi grassi. Desaturazione degli acidi grassi. Significato biologico degli acidi grassi essenziali poliinsaturi e loro funzione quali precursori di molecole biologicamente attive. Sintesi di trigliceridi.

Metabolismo del colesterolo.

Struttura chimica, caratteristiche chimico-fisiche e funzioni del colesterolo. Tessuti ed organi maggiormente attivi nella sintesi del colesterolo. Sintesi del colesterolo. Sali biliari: caratteristiche strutturali, sito di sintesi, funzione biologica e circolo entero-epatico dei sali biliari.

Digestione delle proteine della dieta.

Catabolismo degli amminoacidi.

Destino catabolico del gruppo amminico negli animali urotelici. Trasferimento del gruppo amminico da alfa amminoacidi ad alfa-chetoacidi. Deamminazione ossidativa del glutammato. Ciclo dell'urea e bilancio energetico. Regolazione del ciclo dell’urea. Destino metabolico dello scheletro carbonioso degli amminoacidi.

Biosintesi di amminoacidi.

Aminoacidi essenziali e non essenziali. Valore biologico delle proteine e bilancio dell’azoto. Metabolismo del frammento monocarbonioso. Funzione dell'S-adenosilmetionina nel ciclo del metile attivato e rilevanza di questi processi nel metabolismo degli amminoacidi e dei nucleotidi. Cenni sulla sintesi degli amminoacidi non essenziali. Cenni sulla sintesi delle ammine bioattive: acetilcolina, adrenalina e nor-adrenalina, istamina, serotonina, ossido nitrico.

Metabolismo dei nucleotidi purinici e pirimidinici.

Biosintesi de novo dei nucleotidi purinici e pirimidinici. Meccanismo biochimico di alcuni farmaci antineoplastici: fluorouracile, aminopterina e metotrexato. Catabolismo dei nucleotidi purinici ad urato, problemi legati ad eccessiva sintesi di urato (gotta).

Biochimica del sistema endocrino.

Ormoni proteici e non proteici. Meccanismi di azione degli ormoni. Processo di trasduzione del segnale e secondi messaggeri. Ormoni pancreatici e della midollare del surrene: struttura e funzione. Ormoni del metabolismo del calcio. Cenni sulla funzione biologica degli ormoni ipofisari, sessuali e tiroidei.

Integrazione del metabolismo.

Meccanismi di regolazione e siti di controllo delle principali vie metaboliche. Profili metabolici degli organi principali: cervello, muscolo scheletrico e cardiaco, tessuto adiposo, fegato. Effetti dei principali regolatori ormonali del metabolismo energetico, insulina, glucagone, adrenalina, sul metabolismo glucidico, lipidico e amminoacidico. Meccanismi che regolano i livelli di glucosio nel sangue; interrelazioni metaboliche dei tessuti nel ciclo digiuno/alimentazione, nell'esercizio fisico aerobico ed anaerobico, nel diabete mellito.

Testi consigliati

M Lieberman, Ad Marks, Biochimica Medica: un approccio clinico. II Edizione (Casa Editrice Ambrosiana) (2010).

N. Siliprandi E G. Tettamanti, Biochimica medica, (1998, 2a edizione) - Piccin Editore.

T.M. Devlin, Biochimica, (1995, 2a edizione) - Guido Gnocchi Editore, Napoli.