BIOLOGIA STRUTTURALE
cod. 1007200

Anno accademico 2022/23
1° anno di corso - Primo semestre
Docente
Claudio RIVETTI
Settore scientifico disciplinare
Biologia molecolare (BIO/11)
Ambito
Discipline del settore biomolecolare
Tipologia attività formativa
Caratterizzante
52 ore
di attività frontali
6 crediti
sede: PARMA
insegnamento
in ITALIANO

Obiettivi formativi

CONOSCENZA E COMPRENSIONE
L’obiettivo principale del corso è quello di fornire allo studente gli strumenti necessari per un'analisi dettagliata e critica della struttura delle proteine e dei loro complessi macromolecolari. La prima parte del corso è dedicata alla comprensione delle proprietà chimico-fisiche degli amminoacidi che sono alla base della struttura delle proteine. Gli argomenti trattati durante le lezioni frontali saranno oggetto di prove pratiche individuali svolte in aula informatica dove, con l’utilizzo di software dedicato, gli studenti si cimenteranno con l’analisi strutturale di proteine modello.

CAPACITA' DI APPLICARE CONOSCENZA E COMPRENSIONE
L'obiettivo didattico consiste nel conseguimento delle conoscenze necessarie per un'analisi critica della struttura delle proteine e degli acidi nucleici. Al termine del corso gli studenti avranno acquisito le competenze necessarie per affrontare l'analisi e lo studio sperimentale di macromolecole biologiche. In particolare lo studente sarà in grado di ottenere le coordinate di proteine ed acidi nucleici dalla banca dati PDB, riconoscerne il folding e utilizzare sofware per un'analisi critica della struttura tridimensionale.

AUTONOMIA DI GIUDIZIO
Il corso è finalizzato ad accrescere la capacità di analizzare in chiave critica le interazioni che sono alla base della struttura tridimensionale delle proteine e degli acidi nucleici.

ABILITA' COMUNICATIVE
L'articolazione del corso prevede una notevole attività di discussione in aula tesa a sviluppare l'attitudine degli studenti a trasmettere le competenze scientifiche acquisite a supporto delle proprie argomentazioni. In sede di esame lo studente dovrà sostenere una presentazione orale nella quale descriverà la struttura e funzione di una proteina precedentemente assegnata anche con l'ausilio di slide.

CAPACITA' DI APPRENDIMENTO
Le continue evoluzioni della ricerca scientifica ed in particolare della biologia molecolare e strutturale richiedono un aggiornamento continuo delle competenze. Per tale motivo, il corso si prefigge di fornire l'autonomia necessaria per il conseguimento di una più ampia conoscenza e per l'allineamento delle competenze agli avanzamenti della ricerca in campo biologico.

Prerequisiti

Contenuti dell'insegnamento

Gli aminoacidi
Legame peptidico
Struttura secondaria
Struttura terziaria
Struttura quaternaria
Folding delle proteine
Enzimi
Interazione DNA-proteina
Proteine di membrana
Proteine Fibrose
Metodi per la determinazione della struttura delle proteine

Programma esteso

Proprietà fisico-chimiche degli aminoacidi

Organizzazione del codice genetico

Reazioni chimiche coinvolte nella sintesi delle proteine

Biosintesi della Selenocisteina e della Pirrolisina

Il legame peptidico, angolo di rotazione phi e psi, il diagramma di Ramachandran.

Strutture secondarie: Eliche alfa, 3.10 e pi greco, foglietti beta, regioni loop.

Rappresentazioni grafiche delle proteine

Proteine globulari, motivi elica-giro-elica leganti il calcio, forcine beta, motivo beta-alfa-beta.

Strutture ad alfa elica: contatti inter-elica e organizzazione superstrutturale di proteine ad alfa-elica, margini e solchi, nodi e cavità, fascio di quattro eliche, folding delle globine, cerniere di leucine.

Strutture alfa-beta: struttura a botte TIM, ripiegamento di Rossmann.

Strutture beta: "barili" formati da filamenti beta antiparalleli; motivo a chiave greca; "jelly roll" (proteine leganti la vitamina A; neuraminidasi; gamma-cristallina; immunoglobuline, Eliche beta e proteine antifreeze TmAFP, Green Fluorescent Protein, Reazione di formazione del cromoforo della GFP.

Strutture quaternarie

Proteine fibrose: alfa cheratine, collagene, legami intercatena.

Modificazioni post-traduzionali delle proteine, maturazione e processamento proteolitico, le inteine, lipidazione, glicosilazione, fosforilazione, acetilazione, metilazione, modificazioni non enzimatiche, ubiquitinazione.

Il folding delle proteine: flessibilità conformazionale, fattori termodinamici e cinetici che influenzano il folding, Interazioni deboli non covalenti (interazioni elettrostatiche, non polari, ponti a idrogeno, interazioni di van der Waals), ponti disolfuro, effetto idrofobico, meccanismi di foding, stabilità e resilienza delle proteine, isomerizzazione dei residui di prolina, disolfuro isomerasi, struttura e funzione delle chaperonine GroEL/GroES. Proteine prioniche e patologie collegate al folding delle proteine. Denaturazione delle proteine e adattamento a condizioni estreme. Proteine ingegnerizzate. Proteine intrinsecamente non strutturate.

Proteine di membrana: caratteristiche del doppio strato lipidico, architettura delle proteine di membrana e principi generali. Proteine di trasporto, le porine, il canale del potassio, aquaporine, trasportatori attivi e passivi, canali ionici Cys-loop.

Interazione DNA-proteina: fattori determinanti del legame DNA-proteina, principi termodinamici del legame, energia libera di interazione, frazione di saturazione e costante di dissociazione, specificità, cooperatività di legame, riconoscimento diretto e indiretto del DNA, interazioni specifiche e non-specifiche. Motivi di riconoscimento del DNA: elica-giro-elica, zinc-finger, cerniere di leucina, la TATA binding protein. Repressore lac, repressore del triptofano, effettori allosterici.

Interazioni enzima-substrato; complementarietà di forma e di carica; specificità di legame; termodinamica della catalisi; perchè gli enzimi; classificazione degli enzimi; strategie di catalisi: prossimità ed orientamento, distorsione del legami, stabilizzazione dello stato di transizione, catalisi acido-base, catalisi covalente, catalisi da ioni metallici; dinamica molecolare e catalisi; cofattori enzimatici; inibizione enzimatica; esempi di enzimi: le proteasi a serina, proteasi a cisteina, proteasi ad acido aspartico.

Metodologie per la determinazione della struttura tridimensionale delle proteine: diffrazione ai raggi X; criomicroscopia elettronica (CryoEM).

Bibliografia

INTRODUCTION TO PROTEINS STRUCTURE, FUNCTION, AND MOTION - Second edition
Amit Kessel & Nir Ben-Tal

INTRODUZIONE ALLA STRUTTURA DELLE PROTEINE
Branden C., Tooze J.

PRINCIPI DI BIOCHIMICA (Zanichelli Ed. 2017)
Donald Voet, Judith G Voet, Charlotte W Pratt

Metodi didattici

Il corso sarà svolto mediante lezioni in presenza durante le quali verranno presentati i principali argomenti elencati nel programma. Sono previste anche delle esercitazioni in aula informatica con l'utilizzo di software open source per l'analisi della struttura e delle interazioni che caratterizzano le macromolecole biologiche. Oltre ai libri di testo, gli studenti hanno a disposizione sul sito web del corso materiale didattico con le slide delle lezioni e articoli scientifici messi a disposizione dal docente.

Modalità verifica apprendimento

La valutazione dei risultati di apprendimento attesi si basa su una prova scritta ed una relazione orale nella quale gli studenti dovranno descrivere dal punto di vista strutturale e funzionale una proteina assegnata. La relazione orale potrà essere sostenuta solo dopo il superamento della prova scritta. La prova scritta, da svolgersi in un tempo massimo di due ore, si compone di sei domande atte a valutare il grado di apprendimento e di analisi critica degli argomenti trattati.

Altre informazioni

Orario delle lezioni, materiale didattico, appelli sono consultabili al sito web:
https://elly.scvsa.unipr.it