SISTEMI INORGANICI IN BIOLOGIA
cod. 1007848

Anno accademico 2018/19
1° anno di corso - Secondo semestre
Docente
Settore scientifico disciplinare
Chimica generale e inorganica (CHIM/03)
Field
Attività formative affini o integrative
Tipologia attività formativa
Affine/Integrativa
48 ore
di attività frontali
6 crediti
sede: PARMA
insegnamento
in ITALIANO

Obiettivi formativi

Al termine del corso ci si attende che lo studente sia in grado di:
- Interpretare gli aspetti strutturali e funzionali di sistemi di coordinazione di rilevanza in biologia sulla base dei concetti fondamentali della chimica dei composti di coordinazione.
- Esemplificare tipologie di sistemi bioinorganici e classificarli utilizzando le classi di sistemi studiati
- Confrontare due diversi sistemi bioinorganici (es. due diverse metalloproteine) analizzandone analogie e differenze
- Controllare la correttezza del disegno sperimentale di un esperimento di laboratorio (della tipologia di quelli svolti durante il corso) sulla base dei dati di partenza e degli obiettivi dell’esperimento
- Pianificare un esperimento di laboratorio (della tipologia di quelli svolti durante il corso) dato l’obiettivo dello stesso

Prerequisiti

Conoscenze di base di Chimica Generale, Chimica Organica, e Biochimica.

Contenuti dell'insegnamento

Il corso tratterà del ruolo dei metalli nei sistemi biologici e biomolecolari, con riferimenti in particolare a binding di substrati ed attività catalitica di metalloproteine, interazione di ioni metallici con peptidi rilevanti nelle patologie neurodegenerative, e ruolo dei centri metallici nel trasporto degli elettroni. Durante il corso verranno inoltre presentate le strategie di progettazione e riprogettazione delle proteine (protein design) con particolari riferimenti alle metalloproteine.

Una parte del corso (2 CFU) verrà svolta sotto forma di esercitazioni pratiche sia in laboratorio (principalmente studi di metalloproteine) sia su software per lo studio di sistemi bioinorganici.

Argomenti:

Introduzione agli argomenti del corso
Composti di coordinazione (o complessi) - Teoria generale
Composti di coordinazione – Rilevanza biologica
Localizzazione e movimentazione dei metalli nei sistemi biologici
Trasferimenti di elettroni
Metalloproteine e metalloenzimi
Ioni metallici nelle malattie neurodegenerative
Protein Design e Metalloprotein Design

Introduzione alle esercitazioni di laboratorio

Esercitazione 1. Caratterizzazione spettrofotometrica e CD dell’albumina del siero (SA) e dei suoi addotti con Cu(II) e Cu(I) – Riduzione dell’addotto Cu(II)/SA a Cu(I)/SA – Indicatori metallocromici.
Esercitazione 2. Determinazione della distribuzione di ioni metallici in un pool di bioleganti in soluzione utilizzando il software HySS.
Esercitazione 3. Studio del legame di ossigeno e monossido di carbonio alla mioglobina mediante spettrofotometria di assorbimento UV-Vis.
Esercitazione 4. Determinazione dei parametri di Michaelis e Menten per la reazione di ossidazione della fenildiammina catalizzata da perossidasi del rafano – Cisteina come inibitore – Caratterizzazione NMR di substrato ed inibitore.

Programma esteso

Introduzione agli argomenti del corso (1 h)

Composti di coordinazione (o complessi) - Teoria generale (5 h)
- Ioni metallici delle serie d ed f. Leganti. Numero di coordinazione e geometria. Equilibri di formazione dei complessi e loro stabilità. Teoria del campo dei leganti Proprietà spettroscopiche e magnetiche. Teoria Hard-Soft. Effetto chelato.

Composti di coordinazione – Rilevanza biologica (2 h)
- Introduzione alla rilevanza biologica dei composti di coordinazione. Gli amminoacidi come leganti. Proprietà acido base e complessanti dei residui amminoacidici. Ruolo del backbone. Nucleobasi come leganti.
- Trattazione teoria per Esercitazione 1.

Localizzazione e movimentazione dei metalli nei sistemi biologici (2 h)
- Leganti biologici: dalle piccole molecole ai peptidi. Ruolo della stabilità dei complessi. Aspetti cinetici.
- Tamponi chimici nelle biotecnologie e loro interazione con gli ioni metallici. Chelanti artificiali.
- Case study: “Affinity gradients drive copper to cellular destinations”.
- Trattazione teoria per Esercitazione 2.

Trasferimenti di elettroni (3 h)
- Ioni metallici con più di uno stato redox: proprietà chimiche implicazioni nella formazione dei complessi. Proprietà Hard Soft in relazione agli stati redox. Reazioni di trasferimento di elettroni nei complessi: sfera esterna e sfera interna. Breve introduzione alla teoria di Marcus.
- Ioni metallici con più di uno stato redox: rilevanza in biologia. Ossidanti e riducenti in biologia. Prodotti di ossidazione e riduzione. Flussi di elettroni nelle proteine

Metalloproteine e metalloenzimi (4 h)
- Introduzione al ruolo dei metalli nelle proteine. Centri strutturali, di trasporto e catalitici.
- Due classi di metalloproteine: rame proteine e ferro eme proteine. Aspetti strutturali e funzionali.
- Trattazione teoria per Esercitazione 3.
- Trattazione teoria per Esercitazione 4

Ioni metallici nelle malattie neurodegenerative (Neurodegenerative disorders, ND) (3 h)
- Biomolecole rilevanti nelle malattie neurodegenerative Alzheimer, Parkinson, Creutzfeldt-Jacob: amiloide beta, alfa sinucleina, tau, prione, e loro addotti con ioni metallici. Aggregazione. Stress ossidativo. Terapia chelante per i metalli: il caso di Cu(II) nella patologia di Alzheimer.

Protein Design e Metalloprotein Design (8 h)
- Principi e scopo del protein design. Protein Redesign. De novo design. Design della prima e della seconda sfera di coordinazione dei siti metallici. Positive e negative design. Approccio razionale e combinatoriale. In silico design.
- Protein Redesign: Redesign dei siti di coordinazione di metalli; redesign di gruppi prostetici; directed evolution.
- De novo design: costrutti alfa-elica; costrutti foglietti beta; costrutti misti.
- Costrutti alfa-elica. Helical coiled coils: eliche parallele e antiparallele. Costrutti omomerici ed eteromerici. Helix bundles e helical hairpins. Template Assisted Synthetic Proteins (TASP).
- Costrutti beta e misti alfa/beta. Minibody e zinc finger-type.
- Design di siti di coordinazione in de novo designed peptides. Siti strutturali e siti catalitici. Esercitazioni guidate in aula utilizzando il software PyMol.
- Verso la Synthetic Biology: Artificial metalloenzymes (ARTZYMES) attraverso redesign e de novo design. Proteine come piattaforme: design di siti metallici ad attività catalitica sulla superficie di proteine. Metal-Directed Protein Self-Assembly e memoria di aggregazione.

Introduzione alle esercitazioni di laboratorio (4 h)
- Spiegazione delle esercitazioni di laboratorio. Strategie di progettazione degli esperimenti.

Esercitazione 1. Caratterizzazione spettrofotometrica e CD dell’albumina del siero (SA) e dei suoi addotti con Cu(II) e Cu(I) – Riduzione dell’addotto Cu(II)/SA a Cu(I)/SA – Indicatori metallocromici. (4 h)
Esercitazione 2. Determinazione della distribuzione di ioni metallici in un pool di bioleganti in soluzione utilizzando il software HySS. (2 h)
Esercitazione 3. Studio del legame di ossigeno e monossido di carbonio alla mioglobina mediante spettrofotometria di assorbimento UV-Vis. (4 + 4 h)
Esercitazione 4. Determinazione dei parametri di Michaelis e Menten per la reazione di ossidazione della fenildiammina catalizzata da perossidasi del rafano – Cisteina come inibitore – Caratterizzazione NMR di substrato ed inibitore. (4 + 4 + 4 h)

Bibliografia

Per la parte introduttiva e la parte generale di Composti di Coordinazione:
Vito Lippolis, Nelsi Zaccheroni, Vieri Fusi, Luca Giorgi, Chimica. Principi generali con esercizi, Idelson Gnocchi, 2001 (Chiedere al docente)

Per le parti di Composti di coordinazione – Rilevanza biologica, Localizzazione e movimentazione dei metalli nei sistemi biologici, Trasferimenti di elettroni , Metalloproteine e metalloenzimi:
S.J. Lippard, J.M. Berg, Principles of Bioinorganic Chemistry, University Science Books, 1994
D. Rehder, Bioinorganic chemistry, Oxford University Press, 2014
Handbook of metalloproteins – A. Messerschmidt (Ed.) John Wiley & Sons, 2001-2004

Per la parte di Ioni metallici nelle malattie neurodegenerative:
Review e articoli di letteratura proposti dal docente.

Protein Design e Metalloprotein Design
V. Köhler (editor), Protein Design - Methods and Applications, Springer, 2014. Capitoli 1, 2, 3, 12, 13, 14 (Chiedere al docente)
D. Voet, J.G. Voet, Biochemistry, 4 th ed., Wiley, 2011
V.L. Pecoraro, Methods in Enzymology, Volume 580, 2016. Capitoli 1, 9, 11, 15, 16, 21, 22, 24 (Chiedere al docente)
Review proposte dal dovente

Slides delle lezioni fornite dal docente.

Metodi didattici

Le lezioni saranno principalmente lezioni frontali, durante le quali si cercherà di incentivare la discussione critica da parte degli studenti. Durante alcune lezioni verranno svolte delle esercitazioni guidate, o affrontati dei casi di studio. (4 CFU)
Esercitazioni pratiche di Laboratorio (2 CFU)
Le slides utilizzate dal docente verranno caricate settimanalmente su piattaforma Elly e saranno scaricabili previo accesso con le proprie credenziali.
Le slides saranno utilizzabili come materiale didattico per preparare la prova finale.

Modalità verifica apprendimento

Una prova orale che si svolgerà come segue:
Una presentazione di una review o un articolo scientifico (a scelta dello studente, previa comunicazione al docente) che tratti un argomento ricompreso in uno dei seguenti argomenti: Rame proteine, Ferro eme proteine, Ioni metallici nelle malattie neurodegenerative, Protein Design e Metalloprotein Design. La presentazione dovrà avvalersi di un supporto grafico quale Power Point.
Durante la prova lo studente dovrà dimostrare di avere compreso i fondamenti della Chimica di coordinazione, con riferimento particolare ad esempi tratti dai sistemi biologici.
La prova si concluderà con una presentazione dei risultati di eventuali esercitazioni di gruppo svolte dagli studenti durante il corso riguardanti il Protein e Metalloprotein design.

Altre informazioni

E’ prevista una piccola parte di lavoro su PC (attività che è possibile svolgere da casa)