Obiettivi formativi
Al termine dell’attività formativa lo studente dovrebbe aver acquisito conoscenze e competenze di Chimica Bioinorganica che gli permettano di leggere, con senso critico, articoli di argomento bioinorganico e di essere in grado di inserirsi in un ambito di ricerca di chimica bioinorganica.In particolare, con riferimento agli indicatori di Dublino, lo studente alla fine del corso avrà perseguito e raggiunto gli obiettivi sotto riportati.
Conoscenze e comprensione: alla fine del corso lo studente avrà acquisito i concetti fondamentali della chimica inorganica nei sistemi biologici e sarà in grado di discuterne in Inglese con l’uso corretto del linguaggio tecnico pertinente.
Capacità di applicazione delle conoscenze: il corso fornisce tutti gli strumenti che servono per studiare e comprendere il ruolo dei metalli nei sistemi biologici. Viene inoltre stimolata la capacità di leggere, con senso critico, articoli di argomento bioinorganico.
Abilità comunicative: il corso porta all’acquisizione dell’inglese tecnico-specialistico che permette allo studente di dialogare a livello internazionale con specialisti sia in ambito chimico sia in ambito biologico-molecolare, utilizzando un linguaggio formale corretto.
Autonomia di giudizio: con gli strumenti intellettivi appresi nel corso, lo studente dovrebbe saper utilizzare i principi della chimica bioinorganica e affrontare problemi di natura bioinorganica con senso critico.
Capacità di apprendimento: alla fine del corso lo studente dovrebbe aver appreso i concetti di base ed essere in grado di studiare senza grosse difficoltà su testi avanzati di ambito chimico bioinorganico ed espandere, con un buon grado di autonomia, le proprie conoscenze nello stesso campo.
Prerequisiti
Sono consigliabili conoscenze di base di chimica di coordinazione e
biochimica ed possibilmente di un livello di inglese B2.
Contenuti dell'insegnamento
Il Corso è strutturato in tre parti per un totale di 6CFU.
Parte 1. Concetti chimici di rilevanza biologica
– Abbondanza degli elementi e sviluppo della vita sulla Terra.
– I cicli degli elementi principali, CHNOPS.
– Ruolo degli ioni metallici nei sistemi viventi.
– Metalloproteine e metalloenzimi importanti.
– Principi di struttura delle proteine e gli amminoacidi come leganti per ioni metallici.
– Modelli termodinamici e cinetici della chimica di coordinazione usati in chimica bioinorganica
Parte 2. Metodi fisici nello studio delle metalloproteine: la biocristallografia.
– Cristallografia di proteine: preparazione dei cristalli, analisi preliminare, reticolo reciproco, raccolta dati, risoluzione problema della fase, affinamento e struttura
– Protein data bank
– Software Chimera per la rappresentazione biomolecolare e lo studio dei centri metallici nelle proteine.
Parte 3: Chimica bioinorganica
– Ruoli delle metalloproteine nelle cellule: scelta, uptake e assemblamento di unità contenenti metalli in biologia
– Controllo e utilizzo della concentrazione di ioni metallici nelle cellule
– Influenza dei metalli sul folding ed il cross-linking nelle biomolecole
– Interazioni fra ioni metallici e complessi nei centri attivi di biomolecole
– Proteine adibite al trasporto di elettroni
– Meccanismi non ossidoriduttivi di attivazione e di interazione coi substrati
– Chimica del trasferimento di atomi e di gruppi atomici
– Modulazione delle proprietà dei metalli da parte delle proteine per ottenere funzioni specifiche
– Metalli in medicina
Programma esteso
UNITÀ 1. Sviluppo della chimica bioinorganica.
Elementogenesi. Abbondanza degli elementi necessari alla vita. Evoluzione della vita: teoria di Miller-Urey, teoria di Wächtershäuser e teoria del “clay organism”. Confronto fra le atmosfere di Marte, Terra e Venera: il Great Oxygenation Event.
Struttura cellulare: una panoramica. Organelli e loro funzioni. Archaea, batteri ed eucarioti.
Bioelementi e i loro cicli. I cicli di Carbonio/Ossigeno/Idrogeno. Fotosintesi – La catastrofe da ossigeno e le sue implicazioni sulla biodisponibilità di alcuni elementi. Respirazione. Idrogenasi. Il ciclo dell’azoto. Tutti gli enzimi coinvolti contengono metalli. Il ciclo dello zolfo. Sulfate reducing bacteria (SRB) (anaerobici) e Sulfide-oxidizing bacteria (aerobici). Il ciclo del fosforo.
Metalloproteine e Metalloenzimi. Trasporto e immagazzinamento -Trasferrina, albumina e metallotioneine -Ferritina, ceruloplasmina e efestina. Transporto dell’ossigeno: mioglobina, emoglobina, emeritrina, mioemeritrina, emocianina. Proteine adibite al trasporto di elettroni: proteine con cluster ferro-zolfo, citocromi, cuproproteine blu Ruoli strutturali: aspartato transcarbamilasi, zinc fingers e zinc nella superossido dismutasi. Enzimi idrolitici: anidrasi carbonica, carbossipeptidasi A, fosfatasi alcalina, termolisina. Enzimi redox: Ossidazione (citocromo P-450), Riduzione (ribonucleotide reduttasi (Fe)), Deidrogenazione (alcol deidrogenasi (Zn)) Enzimi che promuovono il riarrangiamento: Isomerasi (vitamin B12 dependent)
UNIT 2 Concetti termodinamici e cinetici: chimica di coordinazione in chimica bioinorganica.
Equilibri in soluzione acquosa. Effetto degli ioni metallici sulla pKadei leganti. Effetto chelato. Teoriadi Lewis HSAB. Teoria del campo dei leganti. La serie spettroscopica energia di Stabilizzazione del campo cristallino. Effetti energetici della separazione degli orbitali d sugli spettri UV-Vis e sulle proprietà magnetiche. La serie di Irving Williams. Modulazione dei potenziali redox da parte degli atomi donatori e della geometria di coordinazione del centro metallico. Leganti non-innocenti. Effetti biopolimero. Cooperatività e interazioni allosteriche. Organizzazione dei siti negli enzimi multicentro. Riconoscimento delle superficie e dei cammini di trasferimento elettronico. Canali di accesso al sito attivo. Ambienti idrofobici. Residui con cariche specifiche e con legami d’idrogeno prossimi al centro metallico. Stato entatico o “rack state”. Aspetti cinetici. Velocità di scambio dei leganti e meccanismi. Reazioni di trasferimento elettronico.
UNITÀ 3. Proteine e acidi nucleici da una prospettiva strutturale.
Gli amminoacidi e il loro ruolo come leganti. Strutture secondarie e supersecondarie. SCOP Structural Classification of Proteins. Strutture che si trovano comunemente nelle metalloproteine: globine, four helix bundles, antiparallel β-sheets barrels, Greek key protein, Jelly/Swiss roll. Ruolo degli ioni metallici nella stabilizzazione del DNA e del tRNA
UNIT 4. Cristallografia di proteine
Preparazione dei cristalli. Caratterizzazione preliminare. Reticolo reciproco. (cella elementare, unità asimmetrica, elementi di simmetria, gruppi spaziali). Data collection (sfera di Ewald, numero di dati raccoglibili, effetto di un cambiamento di lunghezza d’onda) Soluzione del problema della fase: Multiple Isomorphous Replacement (MIR), Molecular Replacement (MR), Multiwavelength Anomalous Dispersion (MAD), Direct methods Structure refinement, Risoluzione e indice R. Protein Data Bank e uso di Chimera per rappresentare i centri metallici nelle proteine.
UNITÀ 5. Omeostasi degli ioni metallici nella cellula: uptake, immagazzinamento e controllo dell’uptake.
Metalli alcalini e alcalino-terrosi. Pompe, cannali e ionofori. Il ferro nei batteri. Siderofori. Enterobactina. Proteina Fur (iron uptake regulator). Il ferro negli organismi superiori: transferrina e ferritina. Regolazione attraverso la Iron Responsive Element Binding Protein. Omeostasi del rame. Chaperone del rame (COX17, ATOX1 and CCS). Regolazione: ACE1 e MAC1. Mercurio:detossificazione batterica. L’operone Mer. Ruoli delle proteine MerR, MerA, MerB e MerP
UNITÀ 6. Influenza dei metalli nel folding e nel cross linking nelle biomolecole.
Aspartato Transcarbamilasi, Zinc fingers (TFIIIA), Calcium binding proteins (Calmodulina) Controllo termodinamico e cinetico nella selezione degli ioni. Applicazione della energia di stabilizzazione del campo dei leganti e del principio di elettroneutralità nei siti occupati dai metalli.
UNITÀ 7. Trasporto e attivazione dell’ossigeno.
Reattività e tossivitàdi O2. Emoglobina, mioglobina, emeritrina, mioemeritrina, emocianina. Sistemi modello. Metalli di transizione come radicali stabili. Mono- e diossigenasi. Citocromo P450, Metano Monoossigenasi, Catecolo diossigenasi
UNITÀ 8. Proteine adibite al trasporto di elettroni.
Potenziale normale di riduzione. Parametri che influenzano il range di potenziale nelle proteine adibite al trasporto di elettroni. Citocromi (classificati sull abase dei donatori apicali), proteine con cluster Fe-S (classificate sulla base del numero di Fe e S) e cupropriteine blu.
UNITÀ 9. Meccanismi di attivazione non redox e interazioni coi substrati.
Anidrasi carbonica (liasi), carbossipeptidasi (enzimi idrolitici), Termolisina (evoluzione convergente), fosfatasi alcalina (enzma idrolitico), alcol deidrogenasi (una ossidoreduttasi* che contiene zinco – un metallo non redox)
UNITÀ 10. Chimica del trasferimento di atomi e gruppi atomici.
Enzimi che contengono la cobalammina: attività mutasica, shift 1,2 in diolo deidratasi e metilazione dello zolfo nella metionina sintasi.
UNITÀ 11. Metalli in medicina. Il cancro: cisplatino e analoghi. Radioterapia con derivati del boro e neutroni lenti. Artrite reumatoide: auranofin. Il diabete: derivati di vanadio. Agenti di imaging: composti con le terre rare. Terapie contro l’ipertensione: composti che rilasciano l’NO. Il bismuto e la sua storia nel trattamento del mal di stomaco. Il litio nel trattamento della schizofrenia.
Bibliografia
D. Rehder. 2014. Bioinorganic Chemistry, Oxford University Press, Oxford, UK
H. B. Gray, E. I. Stiefel, J. S. Valentine, I. Bertini. Biological Inorganic
Chemistry: Structure and Reactivity . University Science Book. Mill Valley,
California
S J Lippard, J M Berg. 1994. Principles of Bioinorganic Chemistry.
University Science Books Mill Valley, California
R. M. Roat-Malone. 2002. Bioinorganic Chemistry: A Short Course. John
Wiley & Sons, New Jersey, USA.
W Kaim, B Schwederski. 1995. Bioinorganic Chemistry. John Wiley &
Sons, New York
D.E. McRee. 1999. Practical Protein Crystallography. Academic Press. San
Diego
Metodi didattici
Le lezioni sono organizzate in modo da essere fruite in presenza. Gli spazi riservati sono infatti idonei ad accogliere in sicurezza tutti gli studenti, previa registrazione e prenotazione del posto secondo le modalità che vengono comunicate attraverso i canali ufficiali.
Tuttavia, per facilitare coloro che saltuariamente non abbiano la possibilità di essere presenti a lezione, viene affiancata la possibilità di fruire le lezioni anche a distanza in modalità sincrona (via Teams) e asincrona (caricando il link della lezione sul portale elly dove resterà fruibile per alcuni giorni). Si rammenta che il corso e' basato su lezioni frontali in presenza alle quali viene data la precedenza, per cui l'accesso alle modalità sincrona a distanza e/o a quella asincrona saranno subordinate alla mancanza di problematiche di tipo tecnico o di connettività che si potrebbero verificare.
Le lezioni frontali saranno supportate quindi da materiale accessibile online nel sito http://elly2020.scvsa.unipr.it/.
Modalità verifica apprendimento
L’esame consiste di una parte orale ed una scritta:
1. La parte orale consiste in una breve presentazione (15 min) di un articolo di interesse bioinorganico fornito dal docente. Gli altri studenti vengono stimolati a porre domande alla fine della presentazione. Questo incide per 2 punti un sul punteggio finale.
2. La parte scritta consiste in dieci domande suddivise in tre sezioni (1 ora a disposizione):
la prima riguardante i concetti della chimica di coordinazione applicati ai sistemi biologici (2 domande, 3 punti ciascuna),
la seconda riguardante la biocristallografia (2 domande, 3 punti ciascuna) e
l'ultima riguardante la parte più strettamente bioinorganica (6 domande, 3 punti ciascuna).
Affinché l’esame sia superato tuttavia non basta accumulare 18 punti, ma lo studente dovrà ottenere almeno la metà dei punti associati a ciascuna sezione (3 per la prima, 3 per la seconda e 6 per la terza sezione).
Se la somma dei punti supera il 30 allo studente viene assegnato il voto di 30 e lode.
Altre informazioni
I testi usati come base sono disponibili in biblioteca. Il software (Chimera) per la visualizzazione è gratuito, così come i file della Protein Data Bank, e si possono scaricare da rete.
Il docente riceve gli studenti per chiarimenti e discussioni, previo appuntamento via e-mail a giorgio.pelosi@unipr.it
Obiettivi agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile
Le nozioni insegnate nell'insegnamento di chimica bioinorganica possono influire sul raggiungimento di diversi Obiettivi di Sviluppo Sostenibile (SDG), in particolare: SDG 2 - fame zero; SDG 3 - salute e benessere; SDG 7 - energia accessibile e pulita; SDG 9 - innovazione industriale e infrastrutture; SDG 12 - consumo e produzione responsabili; SDG 13 - azione sul clima; SDG 14 - vita sott'acqua; e SDG 15 - vita sulla terra. Gli aspetti tecnologici potrebbero includere, ad esempio, la riduzione dell'uso di risorse (substrati, energia e acqua), la conversione di sostanze dannose o poco degradabili, la generazione di energia prodotta in modo sostenibile e la produzione di farmaci e dei loro precursori.
