Corso di laurea: BIOTECNOLOGIE (L-2) Programmazione per l'A.A. 2020/2021  

Nozioni introduttive: richiami di calcolo numerico. Unità di misura e fattori di conversione. Operazioni. Notazione scientifica. Approssimazioni. Uguaglianze e disuguaglianze. Percentuali. Elementi di geometria analitica: coordinate cartesiane. Rette e segmenti. Coniche. Equazioni e disequazioni.Nozioni di teoria degli insiemi.
Statistica descrittiva di base e analisi dei dati: distribuzione di un carattere statistico e sua rappresentazione grafica. Misure di posizione, variabilità e forma di una distribuzione. Analisi dell’associazione tra due caratteri, il metodo dei minimi quadrati ed introduzione ai modelli di regressione lineare.
Nozione di funzione e proprietà. Funzioni algebriche: funzioni lineari, quadratiche, polinomiali, funzioni potenza e funzioni razionali. Funzioni trascendenti: funzioni esponenziali e logaritmiche. Introduzione alle funzioni trigonometriche. La composizione funzionale. L’inversione funzionale. La definizione a tratti. Introduzione alla modellistica per sistemi a tempo discreto.
Algebra lineare: vettori, spazi vettoriali, rappresentazione geometrica dei vettori, dipendenza e indipendenza lineare. Matrici e determinanti. Rango di una matrice. Operazioni sulle matrici. Sistemi di equazioni lineari. Teorema di Rouché-Capelli. Regola di Cramer. Autovalori e autovettori.
Calcolo combinatorio ed elementi di teoria della probabilità. Nozione di evento. Distribuzioni di probabilità. Assiomi della probabilità. Eventi indipendenti e incompatibili. Probabilità condizionata. Teorema di Bayes. Variabili casuali e distribuzioni di probabilità. Introduzione all’inferenza statistica ed alla teoria dei test di ipotesi.

Definizione di limite, proprietà e calcolo dei limiti. Limiti di funzioni, continuità e asintoti. Studio qualitativo delle funzioni.
Definizione e calcolo delle derivate: funzioni algebriche e funzioni trascendenti. Crescenza e decrescenza. Minimi e massimi. Concavità e convessità. Sviluppo di Taylor. Cenni alle derivate parziali.
Calcolo integrale: definizione di integrale, proprietà dell’integrale. Integrale indefinito. Integrazione per parti, integrazione per sostituzione. Integrali definiti.

TESTI DI RIFERIMENTO (in corso di definizione):
- Bodine et al (2017) Matematica per le scienze della vita. UTET
- Guerraggio A. (2018) Matematica per le scienze. Pearson
- Monti, A. (2008). Introduzione alla statistica.
-Slides del corso e esercitazioni messe a disposizione disponibili nel Portale dello studente.

Testi di utile consultazione:
-Guerraggio A. (2018) Matematica per le scienze. Pearson
Villani V., Gentili G. (2012). Matematica. Comprendere e interpretare fenomeni delle scienze della vita. McGrawHill (Quinta edizione).
Abate M. (2013). Matematica e Statistica. Le basi per le scienze della vita.
Bramanti M., Pagani C.D., Salsa S. (2008). Analisi Matematica I. Zanichelli
Anichini G., Conti G., Paoletti R. (2013). Algebra lineare e geometria analitica. Eserciziario. Pearson
Whitlock M.C., Schluter D. (2010) Analisi statistica dei dati biologici. Zanichelli

Programma

Articolazione e contenuti del Corso (Programma di studio):
Il Corso si articola in due parti:

-Parte di Biologia Vegetale (5+1 CFU)
Gli organismi vegetali
La nozione di organismo vegetale. La biodiversità. Piante e uomo: aspetti ecologici, economici e sociali
La cellula vegetale
La parete cellulare: biosintesi, struttura, composizione chimica e funzione.
La membrana citoplasmatica: struttura, composizione chimica e funzione.
Il nucleo ed il nucleolo. Mitocondri, microcorpi, dictiosomi. I plastidi. Il cloroplasto: aspetti strutturali e funzionali. La fotosintesi. Aspetti fisiologici del processo di fotosintesi. Il citoscheletro: i microtubuli, i microfilamenti, proteine associate strutturali e motori molecolari. Aspetti peculiari del processo di divisione cellulare: la banda preprofasica, il fuso mitotico, il fragmoplasto.
Piante: struttura e funzione
Tessuti vegetali. Tessuti meristematici primari e secondari. Tessuti fondamentali, di sostegno, tegumentali, di assorbimento, secretori e conduttori.
La radice: funzioni della radice, struttura primaria e secondaria, radici laterali e avventizie; assorbimento dell'acqua e sali minerali. Il trasporto della linfa grezza.
Il fusto: funzioni del fusto, struttura primaria nelle monocotiledoni e dicotiledoni; cambio cribro vascolare, struttura secondaria; sughero, fellogeno e felloderma.
La foglia: forma, struttura e funzione; epidermide, mesofillo, fasci conduttori; lo stoma: anatomia e meccanismo stomatico. Il trasporto della linfa elaborata.
Il fiore: il gineceo e l'androceo. L'impollinazione.
Il frutto: sviluppo dell'embrione; endosperma; sviluppo del frutto.
Il seme: aspetti strutturali; la disseminazione.
Cenni di classificazione delle piante.

-Parte di Introduzione alle Biotecnologie Vegetali (3CFU)
Cosa sono le Biotecnologie.
Le vecchie Biotecnologie per la produzione di alimenti, le
colture idroponiche, le colture cellulari vegetali.
La Rivoluzione Verde degli anni '50-70 del secolo scorso.
Le applicazioni attuali delle Biotecnologie Vegetali:
Le Biotecnologie Vegetali per miglioramento qualitativo degli alimenti
Applicazioni delle colture idroponiche
Piante trasformate per scopi ambientali
Il Molecular Farming
Piante vaccino
I plantibodies
Piante per la produzione di BioMasse
Piante per la produzione di Biocarburanti e Bioplastica
Molecole bioattive di origine vegetale per la produzione di farmaci.
Considerazioni: Le Biotecnologie Vegetali ed il loro impatto sulla Società. Ricadute positive e negative in termini economici, occupazionali, ambientali e sanitari.

Testi di riferimento per la Biologia Vegetale:
- Pasqua G., Abbate G., Forni C., Botanica Generale e Diversità Vegetale, Piccin Editore, Padova.
- Mauseth J.D., Botanica (parte generale), Idelson Gnocchi Editori, Napoli.
- Rost T.L., Barbour M.G., Stocking C.R., Murphy T.M., Biologia delle Piante,
Zanichelli Editore, Bologna.

Testo di riferimento per l'Introduzione alle Biotecnologie Vegetali:
- Tiezzi A., Biotecnologie Vegetali, il futuro che viene da lontano. Argomenti per una riflessione”. Casa Editrice Aracne, Roma, 2011.
- Tiezzi A. Dispensa "La Scienza ci dice....", 2017.

- Il Docente mette a disposizione tutte le diapositive ed i filmati mostrati durante il Corso.

I regni dei viventi. Cellula procariote ed eucariote. La cellula animale: MEMBRANA PLASMATICA: struttura e funzioni. Sistema delle ENDOMEMBRANE: Reticolo endoplasmatico ruvido e ribosomi: Ruolo nella sintesi e maturazione delle proteine. Reticolo endoplasmatico liscio. Apparato di Golgi. Endocitosi ed esocitosi. Lisosomi. Basi del METABOLISMO. Glicolisi. Metabolismo aerobico: Mitocondri, Perossisomi. CITOSCHELETRO e motilità cellulare: Microfilamenti, Microtubuli, Filamenti intermedi. GIUNZIONI DI MEMBRANA: correlazione strutturale e funzionale con il citoscheletro. NUCLEO (cellule eucariotiche): Involucro nucleare, Lamina nucleare, Pori nucleari, Cromatina, Nucleolo. RIPRODUZIONE CELLULARE:Mitosi, Meiosi (1CFU) - Le basi genetiche della variabilità: mutazione, ricombinazione, selezione; -Micro e macroevoluzione. Origine ed evoluzione delle specie: speciazione e meccanismi di speciazione; - storia delle teorie evolutive - la genetica formale: le leggi di Mendel; - la genetica di popolazione: il pool genico, il teorema di Hardy-Weinberg, distribuzione e modificazione naturale e sperimentale della variabilità genetica, - struttura e funzione del corpo animale. L'organismo: riproduzione asessuata e sessuata, spermatogenesi, oogenesi e fecondazione, respirazione, circolazione, escrezione e regolazione osmotica, digestione, movimento, sistema nervoso e organi di senso, sviluppo embrionale, sviluppo diretto e indiretto, metamorfosi. - interpretazione dei genomi animali; meccanismi di adattamento fisiologico delle specie in relazione alle variabili chimico-fisiche; comportamento animale in relazione alla riproduzione e alle variabili ambientali. (3CFU) -Principali phyla animali (caratteristiche generali): Protisti. Poriferi. Celenterati. Platelminti. Nematodi. Rotiferi. Anellidi. Molluschi. Artropodi. Echinodermi. Cordati. (4CFU)

- Solomon E.P., Berg L. R., Martin D.W. BIOLOGIA. (settima ediz.) Edises
-Russell P.J., Wolfe S.L., Hertz P.E., Starr C., McMillan B. BIOLOGIA (2010) Edises
-D. SADAVA, H. C. HELLER, G. H ORIANS, W. K PURVES, D. M. HILLIS. Biologia. Quarta edizione italiana. 2015 (event. anche solo voll. 2, 3, 5, 6)
- Raven P.H., Johnson G.B. Biologia. Piccin ed., 2012 (anche singoli volumi).
- Fondamenti di Zoologia. Hickman et al. MC Graw & Hill - Diversità animale. Hickman et al. Mc Graw & Hill

Concetti introduttivi. Stati di aggregazione della materia. Sistemi omogenei ed eterogenei. Sostanze ed elementi chimici. Teoria atomica della materia. Proprietà atomiche: massa e dimensioni. Scala dei pesi atomici. Numero di Avogadro, concetto di mole. Simboli chimici e loro significato quantitativo. Struttura dell' atomo: Modello di Bohr. Principio di indeterminazione. Natura ondulatoria dell'elettrone. Equazione di Schrodinger. Orbitali atomici. Numeri quantici. Configurazione elettronica degli elementi. Regole dell Aufbau. Il sistema periodico degli elementi. Proprietà periodiche. Il legame chimico: Legame ionico, covalente e di coordinazione. Proprietà del legame: ordine, distanza ed energia. Elettronegatività e momento dipolare. Teoria del legame chimico: orbitali ibridi, risonanza e mesomeria. Proprietà magnetiche delle molecole. Legami intermolecolari. Legame a idrogeno. Formule chimiche. Nomenclatura dei composti inorganici. Numero di ossidazione. Struttura di molecole e ioni tipici. Lo stato gassoso: Leggi dei gas. Equazione di stato per i gas ideali. Gas reali (cenni). Lo stato solido: Strutture cristalline e loro simmetrie. Solidi molecolari, ionici, covalenti e metallici. Termodinamica chimica: Calore e lavoro. Primo principio della termodinamica. Entalpia e legge di Hess. Entropia. Secondo principio della termodinamica. Energia libera. Terzo principio della termodinamica. Equilibrio chimico: Criteri di spontaneità ed equilibrio nelle reazioni chimiche. Legge di azione di massa e sua derivazione. Isoterma ed isocora di van't Hoff. Equilibri omogenei ed eterogenei. Soluzioni: Concentrazione e sue unità di misura. Proprietà colligative delle soluzioni ideali. Equilibri acido-base: Definizioni generali. Forza degli acidi e delle basi. Struttura e proprietà acido-base. Autoionizzazione dell' acqua. Il pH. Calcolo del pH di soluzioni di acidi, di basi e di sali. Soluzioni tampone. Titolazioni acido-base e curve di titolazione. Equilibri di solubilità: Solubilità e fattori che la influenzano. Prodotto di solubilità. Effetto dello ione a comune. Cinetica chimica: Velocità di reazione. Equazione di Arrhenius. Energia di attivazione. Catalisi. Elementi di chimica inorganica: Composti inorganici di interesse biologico ed ambientale: ossigeno ed ozono, ossidi dell'azoto, ossidi dello zolfo, composti del fluoro e del cloro. Il Corso prevede lo svolgimento di calcoli stechiometrici relativi agli argomenti teorici sopra elencati.

1) M. Casarin, L. Casella, R. d'Agostino, A. Filippi, F. Grandinetti, R. Purrello, N. Re, M. Speranza, Chimica Generale e Inorganica, Edi-Ermes, Milano.
2) F. Cacace, M. Schiavello, Stechiometria, Bulzoni
3) Dispense dal materiale utilizzato a lezione
4) Raccolta di esercizi d'esame

Il corso è articolato in una parte generale e in una parte speciale.

Nella parte generale sono trattati :

le nozioni fondamentali di diritto ; le fonti del diritto internazionale, del diritto comunitario e del diritto interno ed il rapporto fra le medesime; definizioni e campo di applicazione delle biotecnologie; i profili sociali, economici, etici ed ambientali della disciplina giuridica delle biotecnologie.

Nella parte speciale sono trattati:

Il quadro internazionale ed il modello europeo della disciplina delle biotecnologie ; la protezione dei diritti di proprietà intellettuale e la brevettabilità delle invenzioni biotecnologiche; ogm, ambiente , agricoltura e sicurezza alimentare; la disciplina degli ogm degli Stati Uniti nel più ampio quadro internazionale; la coesisteza (concetto, problematiche, confronto fra modelli)

Maria Pia Ragionieri , GMO's in the EU LAW, Wolters Kluver , 2016; oppure Marco Valletta, La disciplina delle biotecnologie agroalimentari nel contesto globale, Giuffrè, 2005.
Materiale integrativo indicato dal docente

Modelli, teorie, leggi, misure e incertezze. Unità di misura (Sistema iInternazionale). La fisica e sua relazione con le altre discipline.
Descrizione del moto: cinematica in una dimensione. Cinematica in due dimensioni; vettori.
Forza, massa. Leggi di Newton. Moto circolare. Legge di gravitazione
Lavoro. Energia cinetica. Potenza. Forze conservative. Energia Potenziale. Conservazione dell’energia meccanica.
Quantità di moto. Moto rotatorio.
Vibrazioni e onde (moto armonico, suono).
Corpi in equilibrio: elasticità.
Fluidi (statica, dinamica, viscosità, tensione superficiale).
Richiami di: temperatura e teoria cinetica, calore, principi della termodinamica, macchine termiche.
Carica elettrica e campo elettrico. Potenziale elettrico ed energia elettrica; capacità. Dielettrici. Correnti elettriche. Circuiti in corrente
continua. Magnetismo. Induzione elettromagnetica e leggi di Faraday. Proprietà magnetiche della materia.
Onde elettromagnetiche e loro spettro.
La luce: ottica geometrica.
Natura ondulatoria della luce (interferenza, diffrazione, spettroscopia, polarizzazione). Strumenti ottici. Effetto fotoelettrico.
Teoria quantistica. Decadimento radioattivo. Misura delle dosi di radiazioni ionizzanti.

- Fisica, Giancoli, Ambrosiana (edizione con fisica moderna)

Materiale didattico
Il materiale didattico di supporto (es. prove di esercizi d’esame) sara’ reso disponibile dal docente.

Alcani e cicloalcani. Introduzione. Struttura. Ibridazione sp3. Nomenclatura. Proprietà fisiche. Isomeria di struttura. Analisi conformazionale (etano, cicloesano). Stabilità dei cicloalcani (tensione angolare, tensione torsionale, tensione sterica). Derivati del cicloesano (stereoisomeria cis-trans). Alcani biciclici e policiclici. Ruolo naturale ed applicazioni degli alcani.

Alcheni. Introduzione. Struttura. Ibridazione sp2. Nomenclatura. Proprietà fisiche. Stabilità (calore di idrogenazione, calore di combustione). Sistema di nomenclatura (E)-(Z) per gli alcheni. Cicloalcheni.Funzione biologica.

Alchini. Introduzione. Struttura. Ibridazione sp. Nomenclatura. Proprietà fisiche.

Gruppi funzionali e classi di composti organici. Alogenuri alchilici. Alcoli. Eteri. Ammine. Aldeidi e chetoni. Acidi carbossilici. Esteri ed ammidi. Introduzione. Struttura. Nomenclatura. Proprietà fisiche.

Stereochimica. Introduzione. Chiralità del carbonio. Enantiomeri e molecole chirali. Rappresentazione grafica. Nomenclatura (R) (S). Attività ottica (potere rotatorio specifico, definizione di racemo, purezza ottica). Diastereoisomeri (composti meso).

Composti aromatici. Introduzione. Benzene. Struttura e stabilità. Regola di Huckel. Altri composti aromatici. Nomenclatura dei derivati del benzene. Fenomeni di induzione e di risonanza. Composti aromatici eterociclici. I composti aromatici in biochimica.

Carboidrati. Classificazione. Monosaccaridi. Mutarotazione e formazione dei glucosidi. Configurazione D o L. Disaccaridi. Polisaccaridi.

Proteine. Struttura degli amminoacidi. Nomenclatura. Legame peptidico. Oligopeptidi.

Acidi nucleici. Basi nucleiche puriniche e pirimidiniche. Nucleosidi. Nucleotidi. Oligonucleotidi.

Lipidi.

Modulo B. LA REATTIVITA'

Reazioni di alcani e cicloalcani. Clorurazione del metano. Radicali liberi. Stabilità e struttura. Termodinamica e cinetica. Alogenazione degli alcani superiori.

Reazioni di sostituzione nucleofila. Reazione SN2. Reazione SN1. Meccanismi ed andamenti stereochimici. Effetti del solvente e del gruppo uscente. Reazioni di eliminazione. Reazione E1. Reazione E2. Competizione tra sostituzione ed eliminazione.

Reazioni dei composti aromatici. Sostituzione elettrofila aromatica. Meccanismo. Alogenazione del benzene. Effetto dei sostituenti.

Chimica Organica Essenziale, Bruno Botta, EdiTes

Il corso si svolgera’ secondo la seguente articolazione:
1. Storia della Microbiologia (cenni): la scoperta del mondo dei microrganismi; la controversia sulla generazione spontanea; i microrganismi come agenti di malattia e loro ruolo nella trasformazione della sostanza organica.
2. Basi tecniche del laboratorio di microbiologia: il microscopio, richiami di fisica ottica; preparati a fresco e colorati; microscopia elettronica (a trasmissione ed a scansione), cenni; la coltura pura ed il suo ottenimento; principi generali di nutrizione microbica; preparazione dei terreni colturali; teoria e pratica della sterilizzazione; controlli di sterilità.
3. Citologia della cellula procariota ed eucariota: generalità; struttura ed ultrastruttura della cellula batterica; struttura e funzione della membrana; sistemi di trasporto attraverso la membrana; la parete cellulare, composizione chimica e caratteristiche; la parete dei batteri Gram+ e Gram-; la parete degli archebatteri e degli eucarioti; la capsula e la virulenza ad essa legata; il movimento e gli organi di movimento; la chemiotassi; la endospora batterica, struttura, funzione ed importanza; cenni alle spore degli eucarioti ed alla alternanza di generazione; il mitocondrio e la funzione respiratoria; cenni all'arrangiamento del DNA ed alla divisione cellulare.
4. Fisiologia cellulare: richiami di chimica e biochimica cellulare (energia di attivazione; catalisi ed enzimi; le reazioni biologiche di ossidoriduzione; trasportatori di idrogeno e di elettroni; i composti fosfato con legami ricchi di energia); produzione di energia nei sistemi biologici; la glicolisi e le vie simili; riossidazione del NAD ridotto: fermentazione e respirazione; la fermentazione alcolica e lattica; la respirazione aerobica; il ciclo degli acidi tricarbossilici; il sistema di trasporto degli elettroni; bilancio energetico della respirazione; cenni alla respirazione anaerobica; biosintesi e ricambio del materiale cellulare.
5. Sviluppo microbico: crescita di una singola cellula e di una popolazione microbica; misura dello sviluppo e curva di crescita; repressione catabolica e diauxia; effetto delle condizioni colturali sullo sviluppo microbico.
6. Principi di genetica molecolare e genetica batterica: richiami alla struttura del DNA; azione degli enzimi di restrizione; replicazione del DNA; elementi genetici; riarrangiamento dei geni; trasposoni; il processo di trascrizione; struttura e funzione di mRNA e tRNA; il processo di traduzione e la sintesi proteica; il codice genetico; agenti mutageni e mutazioni; la ricombinazione nei batteri; trasformazione, trasduzione e coniugazione; plasmidi e loro significato biologico.
7. Virologia: natura della particella virale; conte virali; caratteristiche generali della riproduzione virale; principi di genetica dei virus; batteriofagi a RNA; batteriofagi icosaedrici a singolo filamento di DNA; virus DNA a doppio filamento; i virus batterici temperati e la lisogenia; le principali famiglie di virus animali (cenni).
8. Ecologia microbica: richiami alle tecniche di isolamento ed identificazione dei microrganismi; interazioni tra popolazioni microbiche e con altri organismi; comunita’ microbiche ed ecosistemi; i principali cicli biogeochimici (carbonio, azoto, ferro, ecc.); ruolo dei microrganismi nella decontaminazione ambientale; catabolismo aerobio o anaerobio di inquinanti organici e trattamento delle acque reflue.
9. Biotecnologie microbiche: i microrganismi di interesse industriale; screening da ambienti naturali e da collezioni; il fermentatore, geometria ed impieghi; il processo di scale-up; metaboliti primari e secondari; cenni su produzione di antibiotici, di enzimi, aminoacidi e sulla immobilizzazione.

Le esercitazioni di laboratorio riguarderanno i seguenti argomenti:
1. Microscopia e osservazioni microscopiche; osservazioni a fresco; colorazioni semplici e differenziali e osservazioni di preparati colorati;
2. La coltura pura e suo isolamento: lo spandimento e lo strisciamento, il re-isolamento; le colture di arricchimento;
3. Coltivazione di microrganismi e misurazione dello sviluppo microbico (conta diretta e conta colturale; peso secco; turbidimetria).

Testi suggeriti tra cui scegliere:
- Brock, Biologia dei microrganismi - Microbiologia generale, ambientale e industriale 14/E - di Michael T. Madigan, John M. Martinko, David A. Stahl, Kelly S. Bender, Daniel H. Buckley - Pearson, 2015.
- Biologia dei microrganismi di G. Dehò e E. Galli, Casa Editrice Ambrosiana, nuova edizione (3^ edizione), 2018.
- Microbiologia di D.R. Wessner, D. Dupont e T.C. Charles, Casa Editrice Ambrosiana, 2015.
- Brock, Biologia dei Microrganismi di M.T. Madigan e J.M. Martinko, D.A. Stahl, D.P. Clark, Pearson, 2012. Volumi 1 e 2.
- Brock, Biologia dei Microrganismi di M.T. Madigan e J.M. Martinko, Casa Editrice Ambrosiana. Volumi 1 e 2A.
- Biologia dei microrgaismi di G. Dehò e E. Galli, Casa Editrice Ambrosiana, 2012.

Programma di Genetica e principi di Ingegneria Genetica per Biotecnologie (9 CFU)
Docente: Prof. Pasquale Mosesso

Analisi Mendeliana e teoria cromosomica dell’eredità
Leggi di Mendel ed elementi di Genetica mendeliana nell’uomo e nell’agricoltura; Regole del calcolo delle probabilità e statistica; Ciclo cellulare, mitosi, meiosi e concordanza tra meiosi e mendelismo; Prova della teoria cromosomica dell’eredità ed eredità legata al sesso. Alberi genealogici e trasmissione ereditaria nella specie umana.

Estensioni dell’eredità mendeliana
Variabilità delle relazioni di dominanza: Allelia multipla; Dominanza incompleta e codominanza; Serie alleliche.
Ambiente ed espressione genica: Effetti dell’ambiente interno ed esterno; Penetranza ed espressività; Interazione genica; Epistasi e pleiotropia.

Associazione e mappatura genetica
Il crossing-over.
Le mappe di associazione: Mappatura mediante reincrocio a 3 punti; Interferenza; Alcuni esempi di mappe di linkage; test del chi-quadrato.

Struttura molecolare e replicazione del materiale genetico
Struttura molecolare del DNA e dell’RNA: Identificazione del DNA come materiale genetico (esperimenti di Griffith, Avery, Hershey e Chase); Struttura degli acidi nucleici (esperimento di Chargaff).
Replicazione del DNA: Replicazione del DNA nei procarioti ed eucarioti; Conferma del modello semiconservativo della replicazione del DNA (esperimenti di Meselson e Stahl).

Genetica dei microorganismi
Il cromosoma batterico: Meccanismi di trasferimento di materiale genetico nei batteri:
trasformazione, coniugazione, sexduzione e trasduzione. Metodi di mappatura in batteri e virus; Elementi extra cromosomici: Plasmidi naturali ed artificiali (cenni).

Proprietà molecolari dei geni
Proprietà generali della struttura e della funzione dei geni: Le componenti dei cromosomi eucariotici (DNA, istoni e proteine non-istoniche); La struttura della cromatina ed i nucleosomi; DNA ripetitivo e DNA satellite; Come funzionano i geni (ipotesi di un gene una proteina); Colinearità tra gene e proteina; complementazione e siti di mutazione; Meccanismi di trascrizione del DNA; Traduzione dell’mRNA; Struttura e funzione del tRNA; Il codice genetico e la sua decifrazione (codoni multipli per un singolo amminoacido; codoni di terminazione; codone d’inizio; problemi irrisolti); Cenni sulla regolazione del ciclo cellulare e genetica del cancro.

Meccanismi di produzione della variabilità genetica
Definizione e classificazione delle mutazioni: Mutazioni geniche: sostituzione di basi, inserzioni, delezioni; reversione e soppressione; effetto fenotipico delle mutazioni geniche. Test di fluttuazione e mutazione spontanea nei batteri. Mutazioni cromosomiche: strutturali (aberrazioni cromosomiche) e numeriche (aneuploidia, poliploidia).
Alterazioni spontanee del DNA: Errori di incorporazione di basi durante la replicazione (errato appaiamento, tautomerizzazione) e meccanismo “proof-reading” per la correzione degli errori. Deaminazione delle basi, perdita spontanea delle basi e danno ossidativo al DNA. Meccanismi molecolari di inserzione e delezione di basi.
Fattori ambientali che danneggiano il DNA: Radiazioni ionizzanti e non ionizzanti; Agenti mutageni chimici; Agenti mutageni biologici (virus, batteri).
Cenni sui meccanismi di riparazione del DNA: Fotoliasi, alchiltransferasi, “nucleotide excision repair” (NER), “base excision repair (BER), “mismatch repair” (MMR), “SOS” repair, riparazione ricombinazionale; riparazione delle rotture a doppio filamento (HR e NHEJR); riparazione delle rotture a singolo filamento (SSB);
Elementi trasponibili: Elementi trasponibili batterici ed eucariotici; Retrovirus; Trasposoni e mutabilità dei cromosomi.

Il controllo dell’espressione genica nei batteri
Regolazione negativa e positiva; La dissezione genetica dell’operone Lac di E. coli; L’operone del triptofano.

Il controllo dell’espressione genica negli eucarioti
Controllo dell’espressione genica a livello epigenetico, trascrizionale e post-trascrizionale.

Principi di Ingegneria Genetica (cenni)
Tecniche per la modificazione "in vitro" di DNA, RNA: enzimi di restrizione; clonaggio di frammenti di DNA
DNA cromosomico e plasmidico: separazione purificazione.
Tecniche di analisi di DNA ,RNA: Analisi "Southern"," Northern"; Mappe di restrizione e di delezione.
Sequenziamento DNA: Principi generali della procedura; Il sequenziamento di grandi regioni del DNA.
PCR principi e sue applicazioni.
Mutagenesi in vitro.

Analisi genetica delle popolazioni
La teoria delle frequenze alleliche: Stima delle frequenze alleliche; Relazione tra frequenze genotipiche ed alleliche: il principio di Hardy-Weinberg; Applicazioni del principio di Hardy-Weinberg.
La selezione naturale: Selezione naturale a livello di gene; Selezione naturale a livello di fenotipo.
La deriva genetica: Cambiamenti casuali delle frequenze alleliche; Effetti delle dimensioni delle popolazioni.

Esercitazioni in laboratorio
• Esperimento di X-linkage o eredità legata al sesso mediante impiego di mutanti “occhi rossi” e “wild type” di Drosophila melanogaster.
• Analisi delle aberrazioni cromosomiche in cellule di mammifero in vitro indotte da raggi X;
• Analisi del danno primario al DNA indotto da un agente mutageno chimico di interesse ambientale in linfociti umani valutato con il test della “Cometa”

Testi consigliati
• Griffiths A.J.F, Wessler S.R., Carrol S.B. and Doebley J. "Genetica, principi di analisi formale" Settima edizione italiana, Zanichelli

• Peter J. Russell “Genetica: Un approccio molecolare. Ediz. Mylab” Pearson Editore (5a Edizione).

• Griffiths A.J.F, Wessler S.R., Carrol S.B. and Doebley J. "Genetica, principi di analisi formale" Settima edizione italiana, Zanichelli

• Peter J. Russell “Genetica: Un approccio molecolare. Ediz. Mylab” Pearson Editore (5a Edizione).

La complessità dei genomi. Tecniche di indagine high throughput degli acidi nucleici. Algoritmi e software per l'assembly delle sequenze di DNA. Banche dati di interesse biologico. Metodi bioinformatici per il controllo di qualità delle reads NGS (Next Generation Sequencing). Principi di interrogazione dei database. Analisi RNA-seq. Algoritmi di allineamento. Manipolazione di sequenze di acidi nucleici e query a DB in Python

Materiale didattico: slide e video su moodle

Testo opzionale: "Fondamenti di bioinformatica" di Manuela Helmer Citterich, Fabrizio Ferrè, Giulio Pavesi, Graziano Pesole, Chiara Romualdi.

Fisiologia della cellula: membrana cellulare e trasporti, comunicazione tra cellule, proprietà elettriche attive e passive, trasmissione sinaptica e conduzione del segnale nervoso.
Organizzazione generale del sistema nervoso, tipi cellulari.
Funzione sensoriale: sistema somatosensoriale, visivo, uditivo, vestibolare, gustativo, olfattivo.
Fisiologia del muscolo scheletrico.
Funzione cardiaca e circolatoria.
Funzione respiratoria.
Funzione renale.
Funzione endocrina.

- “Fisiologia, dalle molecole ai sistemi integrati”, Carbone, Cicirata, Aicardi (EdiSES)
- “Fisiologia Umana”, Stuart Ira Fox (PICCIN)
- “Fisiologia Umana, Fondamenti”, Autori vari (Edi-Ermes)
- possono comunque andare bene anche altri testi di Fisiologia generale, purché aggiornati
- “slides” delle lezioni messe a disposizione dal docente a fine corso sulla piattaforma istituzionale (importanti come integrazione dettagliata del programma svolto)

PROTEINE, ENZIMI e COENZIMI
I principi generali dell'indagine biochimica. Gli elementi chimici della materia vivente; l'acqua e le sue proprietà chimico-fisiche; il ruolo dell’acqua nei processi biologici; il legame idrogeno e gli altri legami deboli. Interazioni tra molecole e macromolecole di interesse biologico. Soluzioni tampone.
Struttura e proprietà degli aminoacidi proteici. Legame peptidico e geometria del gruppo peptidico. Ionizzazione di aminoacidi. Le proteine e le loro molteplici funzioni. La struttura primaria, secondaria, terziaria e quaternaria delle proteine. Studio della struttura e della funzione di proteine globulari (mioglobina, emoglobina e immunoglobuline) e fibrose (collageno e cheratine). Il folding delle proteine e i meccanismi cellulari che aiutano tale processo.
Carboidrati. Struttura e proprietà dei principali carboidrati. Lipidi. Lipidi semplici e complessi. Struttura e proprietà di acidi grassi, triacilgliceroli e dei principali lipidi di membrana. Natura, ruolo e classificazione degli enzimi. Coenzimi e vitamine.
Cinetica e termodinamica delle reazioni catalizzate. Equazione di Michaelis-Menten. Significato e determinazione di KM, VMAX e Numero di turnover. Inibizione enzimatica. Principi di regolazione dell’attività enzimatica. Enzimi allosterici.
METABOLISMO
Aspetti generali del metabolismo: reazioni endoergoniche ed esoergoniche; composti ad alta energia; reazioni accoppiate; scopi e aspetti distintivi del catabolismo e dell'anabolismo.
La glicolisi e il destino aerobico del piruvato; il complesso enzimatico della Piruvato deidrogenasi. Le vie fermentative del piruvato. Il ciclo dell'acido citrico. La via del fosfogluconato. Il processo di gluconeogenesi. Metabolismo di disaccaridi e polisaccaridi (glicogeno e amido). Regolazione del metabolismo dei carboidrati. Sintesi del glicogeno.
La produzione di energia nel metabolismo centrale; la catena di trasporto degli elettroni e la fosforilazione ossidativa. Il catabolismo delle proteine. Turnover proteico, l'ubiquitina e il complesso del proteasoma. Enzimi proteolitici coinvolti nel processo di digestione delle proteine alimentari e loro specificità. Destino dell'azoto alfa-amminico degli aminoacidi. Ciclo dell'urea. Considerazioni generali sul destino dello scheletro carbonioso degli aminoacidi.
Cenni sul catabolismo e sull'anabolismo degli acidi grassi.

VOET, VOET, PRATT: Fondamenti di biochimica (Zanichelli Editore). IV edizione 2017.
NELSON, COX: I Principi di Biochimica di Lehninger (Zanichelli Editore). VII edizione 2018.

Programma.
Aspetti storici: dalla scoperta del DNA al codice genetico

La struttura del DNA
a) struttura chimica degli acidi nucleici – struttura a doppia elica – i parametri strutturali e stabilità della doppia elica - conformazioni delle eliche (A, B, Z) - denaturazione e rinaturazione delle eliche.
b) Organizzazione del DNA: superavvolgimento- impacchettamento del genoma – le proteine (nucleosomi) ed i livelli di organizzazione della cromatina nei sistemi eucariotici. Analisi della cromatina mediante digestione enzimatica con nucleasi.

La struttura dell'RNA
a) chimica del ribosio
b) L'RNA assume strutture secondarie e terziarie.

La Replicazione del DNA: modello del replicone - l'inizio e la terminazione della replicazione nei procarioti e negli eucarioti – le DNA polimerasi, classificazioni e proprietà biochimiche.

La trascrizione nei procarioti: i meccanismi molecolari e la regolazione
• Struttura della RNA polimerasi e i fattori sigma. Struttura dell’ Operone. Siti Operatore e Promotori (promotori forti e deboli). .
• Repressori ed attivatori: l’ operone Lac e l’ operone araBAD
• L’ attenuazione: l’ operone del Trp

La trascrizione negli eucarioti: i meccanismi molecolari e la regolazione
• Le RNA polimerasi I, II, III e fattori generali della trascrizione. Il motivo CTD della subunità maggiore dell’RNA polimerasi II e ruolo funzionale.
• Regolazione della trascrizione negli eucarioti: struttura modulare dei promotori eucariotici – regione enhancer – struttura dell’ enhanceosoma – struttura modulare dei fattori di trascrizione (trans-attivatori) che regolano la trascrizione. Esempi di attivazione della trascrizione ( geni regolati da ormoni tiroidei, attivazione del gene IFNB).

Processamento, maturazione e modificazioni chimiche dei trascitti:
• processamento degli rRNA e tRNA
• capping, poliadenilazione e splicing degli mRNA eucariotici
Editing dell'RNA

La Traduzione dell’ mRNA: apparato di traduzione e suoi componenti
• ribosoma – rRNA – tRNA – aminoacil-tRNA sintetasi – fattori d’inizio, d’allungamento e terminazione della traduzione - antibiotici inibitori della sintesi proteica.
• Il codice genetico: la decifrazione - la degenerazione - le deviazioni.

Manipolazioni genetiche: uso delle endonucleasi per le strategie di clonaggio molecolare – elettroforesi - interpretazione di un profilo di restrizione enzimatica del DNA - tecniche di clonaggio - i vettori di clonaggio - amplificazione genica - metodo Sanger per il sequenziamento del DNA- analisi dei promotori (uso di geni reporter).

Si può scegliere il testo da adottare tra questi suggeriti:

Amaldi F., Benedetti P. Pesole G., Plevani P., "Biologia molecolare" terza ed. (2018) ed. Casa editrice Ambrosiana

Zlatanova J., van Holde K.E. Biologia molecolare Struttura e dinamica di genomi e proteomi prima ed. (2018) ed. Zanichelli

Capranico G., Martegani E., Musci., Raugei G., Russo T., Zambrano N., Zappavigna. (2016) "Biologia Molecolare" ed. EdiSES

Watson JD, Baker TA, Bell SP, Gann A, Levine M. Losick R. "Biologia molecolare del gene" sesta ed (2014) ed. Zanichelli

Proprieta’ dei gas. Il gas perfetto. Le leggi dei gas. I gas reali.

Il primo principio. Lavoro, Calore ed Energia. Il primo principio della termodinamica: energia interna, Entalpia e Capacità termica. Termochimica. Alimenti e scorte di energia Le entalpie di formazione standard. La dipendenza dell’entalpia di reazione dalla temperatura ITC e “ligand binding” . DSC: Differential Scanning Calorimetry Energetica delle interazioni molecolari.

Il secondo principio. Trasformazioni spontanee e dispersione dell’energia. L’Entropia. Variazioni di entropia. Entropia ed interpretazione statistica. Energia libera di Gibbs. Potenziale chimico ed equilibrio. Pressione osmotica. Miscele semplici. Grandezze parziali molari. Processi di mescolamento. Definizione del potenziale chimico per i liquidi. Proprietà colligative.
Elettrochimica. Celle elettrochimiche Potenziali di riduzione ed energia libera. Potenziali di riposo e di azione nei sistemi cellulari.

Cinetica chimica. Velocità di reazione ed ordine di reazione. Equazioni cinetiche integrate. Effetto della temperatura sulla velocità di reazione. Cenni di dinamica di reazione molecolare.

Teoria Quantistica. Insuccessi della Fisica Classica. Dualismo Onda-Corpuscolo. Equazione di Schroedinger. Moto Traslazionale: particella nella scatola. Moto Rotazionale. Moto Vibrazionale.
Cenni di spettroscopia.
Aspetti generali e tecniche sperimentali. Regole di selezione. Spettri rotazionali puri. Spettri vibrazionali. Spettri elettronici di biomolecole. Legge di Lambert-Beer. Il destino degli stati eccitati: fluorescenza e fosforescenza.

Atkins- De Paula: Chimica Fisica Biologica, Zanichelli.
Klostermeier D. - Rudolph MG: Biophysical Chemistry, CRC Press
R. Chang : Chimica Fisica 1, 2 vol., Zanichelli
Donald A. McQuarrie, John D. Simon: Chimica Fisica Un approccio molecolare, Zanichelli
Kuriyan-Konforti-Wemmer: The Molecules of Life. Garland Sciences

La cellula animale. La struttura delle membrane cellulari. La membrana plasmatica. Compartimenti intracellulari e vescicole di membrana. Il citoplasma e gli organuli. Citoscheletro e proteine associate. Traffico intracellulare di vescicole e vescicole. Matrice extracellulare, membrana basale, giunzioni intercellulari. Comunicazione e segnalazione cellulare. Recettori accoppiati a proteine di trasduzione e recettori accoppiati a enzimi. Meccanismi di trasduzione del segnale. Calcolo del numero dei recettori. Localizzazione e stabilità degli mRNA. Ciclo cellulare e sua regolazione. Apoptosi. Micro RNA e proteine leganti RNA. CRISPR/CAS, Variabilità genetica: origine e trasmissione. Specializzazione delle cellule animali: Fisiologia, omeostasi, organi ed apparati degli animali. Caratteristiche di cellule in coltura: tecniche e nozioni di colture cellulari. Comunità cellulari: tessuti, cellule staminali e applicazioni terapeutiche. Cell Factories. Cellule sintetiche. Colture tridimensionali. Le difese immunitarie animali, evoluzione delle risposte immunitarie, Immunità innata e immunità acquisita. Cellule e molecole coinvolte nelle reazioni immunitarie. Tecniche immunologiche e immunodiagnostiche. Anticorpi monoclonali e loro impiego.

Gerald Karp, BIOLOGIA CELLULARE E MOLECOLARE, Ed. EDISES
Ginelli, M. Malcovati, MOLECOLE, CELLULE E ORGANISMI, Ed. EDISES
A. Abbas, AH. Lichtman, S Pillai,LE BASI DELL'IMMUNOLOGIA. FISIOPATOLOGIA DEL SISTEMA IMMUNITARIO, Ed. EDRA