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Glauco PONTERINI
Professore Ordinario
Dipartimento di Scienze della Vita sede ex Chimica V.Campi 103
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Insegnamento: Biologia strutturale
Biotecnologie (Offerta formativa 2020)
Obiettivi formativi
Complessivamente, i due moduli del corso di Biologia Strutturale sono finalizzati a:
a) fornire conoscenze dei principi che governano le strutture delle principali macromolecole biologiche;
b) fornire le conoscenze delle relazioni struttura/proprietà e struttura/funzione in selezionati sistemi biologici
c) rendere lo studente familiare con i principali metodi e strumenti per l’indagine della struttura di proteine ed acidi nucleici, permettendogli di comprendere la letteratura scientifica sul tema.
Prerequisiti
La parte sui “Principi strutturali delle macromolecole biologiche” richiede conoscenze di base in chimica-fisica, chimica organica e biochimica.
La parte sui “Metodi d’indagine strutturale di biomolecole” richiede conoscenza degli elementi di matematica e fisica trattati nei corsi dei primi anni.
Programma del corso
Biologia Strutturale – principi strutturali delle macromolecole biologiche
Lezioni frontali (5 CFU)
Struttura delle proteine:
struttura e proprietà chimico-fisiche degli amminoacidi;
diedri del backbone e delle catene laterali e relativi gradi di libertà;
strutture secondarie e supersecondarie;
architetture e folds di proteine delle classi alfa, beta e alfa/beta;
relazioni struttura/funzione relative a selezionate superfamiglie.
Struttura degli acidi nucleici:
Struttura e accoppiamento delle basi e flessibilità delle coppie di basi;
struttura degli zuccheri e flessibilità relativa al legame glicosidico;
angoli torsionali del backbone e relativa flessibilità;
struttura del DNA di tipo A, B e Z;
accoppiamenti non standard di basi e riconoscimento DNA-DNA: triplex, quadruplex e giunzioni di DNA;
esempi selezionati di complessi DNA-proteina e DNA-ligando;
struttura di RNA transfer, ribozimi, riboswitches e RNA ribosomale.
Laboratorio (1CFU, 8 ore)
Esercitazioni di visualizzazione 3D e analisi strutturale di biomolecole.
Biologia Strutturale – Metodi d’indagine strutturale di biomolecole
Lezioni frontali (5 CFU)
1.Generalità (4 ore): i problemi di risoluzione spaziale ed i limiti delle microscopie ottiche. Sviluppi recenti della microscopia elettronica: Cryo-EM. L’interazione fra radiazione elettromagnetica e la materia: assorbimento, emissione, diffusione, diffrazione. Le principali spettroscopie.
2.Spettroscopie di assorbimento/emissione elettroniche (14 ore): spettroscopia UV-visibile, di fluorescenza e di dicroismo circolare.
3.Spettroscopia NMR applicata all’indagine strutturale di proteine (10 ore).
4.Diffrazione di raggi X finalizzata alla risoluzione di strutture proteiche (12 ore).
Laboratorio (1 CFU, 8 ore)
Spettroscopia differenziale UV-vis (esposizione di residui cromoforici di proteine) e di fluorescenza (unfolding di proteine).
Metodi didattici
Il corso di Biologia Strutturale si compone di due moduli da 6 CFU: “Principi strutturali delle macromolecole biologiche” e “Metodi d’indagine strutturale di biomolecole”.
La parte di “Principi strutturali delle macromolecole biologiche” consiste in 40 ore di lezioni frontali finalizzate all’analisi 3D delle strutture di biomolecole mostrate mediante videoproiezione. Durante le 8 ore di laboratorio gli studenti utilizzeranno un software di visualizzazione 3D per esercitarsi all’analisi strutturale dei sistemi considerati durante le lezioni frontali.
A causa dell'emergenza Covid19 sia le lezioni che le esercitazioni si svolgeranno in modalitá sincrona (in streaming).
La parte di “Metodi d’indagine strutturale di biomolecole” consiste in 40 ore di lezioni che riguarderanno l'intero programma e verranno svolte a distanza in modo sincrono (in streaming) a causa della situazione sanitaria COVID19. Le lezioni registrate resteranno disponibili per tutto l'anno accademico. Sulla piattaforma Dolly (http://dolly.scienzedellavita.unimore.it/) verranno aggiornati i temi trattati a lezione e saranno pubblicate le diapositive utilizzate a lezione.
Testi di riferimento
Slides del corso fornite dai docenti e i seguenti testi consigliati:
Struttura delle Proteine
C. Branden & J. Tooze, Introduction to Protein Structure, Garland Publishing, 1999 (ISBN: 978-0-8153-2305-1.
Struttura degli acidi nucleici
S. Neidle, Principles of Nucleic Acid Structures, Elsevier, 2008 (ISBN: 978-0-12-369507-90
Spettroscopie ottiche
R.Cotterill, Biophysics. An Introduction, Wiley, 2005, cap.6.( ISBN: 978-0-471-48538-4)
S.B.Brown, ed., An Introduction to spectroscopy for biochemists, Academic Press, 1980. (ISBN 0-12-137080)
S.E.Harding, B.Z.Choudhry (eds.), Protein-ligand interactions: structure and spectroscopy, Oxford University Press, 2001. (ISBN 0-19-963750-4)
J.R.Lakowicz, Principles of fluorescence spectroscopy, Springer, 2006 (ISBN 978-0-387-31278-1)
Circular dichroism : principles and applications, Wiley, 2000 (ISBN: 978-0-471-33003-5)
Spettroscopia NMR
J.Keeler, Understanding NMR spectroscopy, Wiley 2005 (ISBN 9780470017869 9780470017876)
Bernhard Blümich, Essential NMR, Springer-Verlag, 2005 (ISBN: 3-540-23605-8)
Diffrazione di raggi X
J.Drenth, Principles of protein X-ray crystallography, Springer, 1999 (ISBN 0387985875)
Ladd, Mark F.C., Palmer, Rex A., Structure Determination by X-Ray Crystallography, Springer, 2008 (ISBN: 978-0-306-47454-5).
Verifica dell'apprendimento
Principi strutturali delle macromolecole biologiche
A seconda della situazione Covid19 l'esame sará svolto in presenza o in streaming. L'esame in presenza é scritto e orale. La parte scritta è finalizzata a verificare le conoscenze del formalismo chimico relativo alle componenti elementari delle macromolecule biologiche (amminoacidi e nucleotidi), agli elementi di struttura supersecondaria come le beta-hairpins e ai principali diagrammi di topologia. La parte orale dell’esame consiste essenzialmente nella verifica delle conoscenze e capacità di analizzare le strutture di biomacromolecole mediante visualizzazione grafica 3D. L'esame in streaming consiste in una prova orale simile all'orale in presenza e con limitate richieste di scrittura di formule strutturali e diagrammi di topologia verificate interattivamente mediante foto inviate al docente.
Metodi d’indagine strutturale di biomolecole
L’esame è orale e potrebbe essere svolto in presenza o a distanza a seconda dell'evoluzione della situazione COVID19. Esso dura circa due ore e mira a verificare l'apprendimento delle caratteristiche di base e delle principali applicazioni strutturali delle tecniche presentate. Si farà riferimento ad articoli scientifici che riportano esempi di utilizzo delle tecniche studiate.
Risultati attesi
A: Conoscenza e capacità di comprensione
Il corso è finalizzato alla conoscenza delle proprietà strutturali e funzionali delle macromolecole di interesse biologico e dei metodi per determinarle. Fornisce la conoscenza delle principali metodologie per la caratterizzazione strutturale di molecole di interesse biologico. Fornisce conoscenza e capacità di comprensione: acquisire comprensione e conoscenza delle principali tecniche di caratterizzazione strutturale di biomolecole.
B: Capacità applicative
Il corso fornisce le capacità di applicare le principali metodologie di analisi e determinazione strutturale (biochimica e biofisica) di proteine e acidi nucleici. Consente di applicare i principi della caratterizzazione strutturale di tali macromolecole d’interesse biologico. Fornisce la capacità di utilizzare tali conoscenze per comprendere gli esempi riportati nella letteratura.
C autonomia di giudizio
Il corso contribuisce a dotare i laureati in Biotecnologie della capacità di valutare le metodologie che permettano la risoluzione ottimale di un problema biologico. Fornisce la capacità di riconoscere limiti e possibilità delle tecniche di indagine strutturale studiate.
D Abilità nella comunicazione
.Il corso contribuisce a sviluppare la capacità di esprimere con linguaggio appropriato i concetti appresi e di sostenere una discussione in merito agli argomenti trattati. L’utilizzo di slides esclusivamente in inglese contribuisce a migliorare la comprensione dell’inglese scientifico almeno nella forma scritta.
E. Capacità di apprendere
Il corso contribuisce all’acquisizione di una metodologia di studio utile al proseguimento della formazione universitaria e all’aggiornamento continuo delle conoscenze.