Chimica e biochimica delle molecole di interesse agroalimentare

A.A. 2020/2021
8
Crediti massimi
72
Ore totali
SSD
BIO/10 CHIM/06
Lingua
Italiano
Obiettivi formativi
Questo insegnamento si propone di fornire allo studente conoscenze avanzate in ambito chimico e biotecnologico sulle principali molecole (prevalentemente non informazionali) di interesse agroalimentare.

Alla parte I (Chimica), dedicata alla descrizione delle molecole in questione in termini di struttura e reattività chimica, seguirà la parte II (Biochimica) che ha come obiettivi principali di mettere in risalto i rapporti struttura / funzione di queste molecole sia negli organismi che le hanno prodotte che negli utilizzatori finali e di stimolare l'interesse verso potenziali bersagli molecolari di interventi biotecnologici.

Le esercitazioni di laboratorio associate all'insegnamento hanno l'obiettivo di rendere familiari le principali tecniche estrattive di alcune delle molecole oggetto dell'insegnamento e alcuni metodi per la valutazione in vitro della loro bioattività.
Risultati apprendimento attesi
La conoscenza delle potenzialità di intervento su queste molecole, mediante modifiche chimiche, enzimatiche o di processo mirate al miglioramento della loro qualità complessiva (stabilità chimica e fisica, solubilità, interazioni ed attività biologica) e le capacità di base
per affrontare autonomamente studi ed applicazioni in contesti di ricerca e professionali ampi ed interdisciplinari.
Programma e organizzazione didattica

Edizione unica

Responsabile
Periodo
Secondo semestre
Al momento non è possibile avere informazioni sull'andamento dell'emergenza sanitaria dovuta al covid-19. Qualora essa verrà estesa anche al secondo semestre di quest'anno accademico (2020/2021), in questa parte e prima dell'inizio del semestre, verranno fornite informazioni specifiche sulle modalità di erogazione di questo insegnamento.
Programma
L'insegnamento è organizzato in due Unità Didattiche:
- Unità Didattica 1: Chimica delle molecole di interesse agroalimentare (3 CFU)
- Unità Didattica 2: Biochimica delle molecole di interesse agroalimentare (5 CFU)

La descrizione di ciascuna Unità Didattica è riportata nella parte sottostante.


CHIMICA DELLE MOLECOLE DI INTERESSE AGROALIMENTARE

Introduzione: il ruolo dei prodotti del metabolismo secondario nelle interazioni tra pianta e ambiente. Sostanze allelopatiche ed elicitori. Sostanze repellenti ed attrattori.

La chimica degli aromi e delle fragranze: sostanze astringenti, dolci, amare, piccanti. Aromi naturali. Esaltatori di sapidità.

Terpeni e steroidi. Monoterpeni lineari e ciclici. Steroidi. Cenni sulla loro biosintesi.

Antiossidanti e pigmenti naturali: Struttura, proprietà chimico-fisiche e reattività di polifenoli e carotenoidi. Sostanze solforate. Fonti naturali.

Principi antinutrizionali: saponine, cardenolidi, alcaloidi, alcaloidi steroidei. Cenni sulla biosintesi degli alcaloidi

Sostanze fototossiche: struttura, fonti naturali e meccanismo d'azione.

Esercitazioni: Estrazione, purificazione e saggi di attività di una sostanza naturale tra quelle trattate durante il corso. Le molecole estratte verranno utilizzate nella seconda parte del Corso (parte biochimica), per saggi di attività inibitoria di specifici enzimi o saggi di riconoscimento enzimatico.


BIOCHIMICA DELLE MOLECOLE DI INTERESSE AGROALIMENTARE

Il significato della diversità molecolare. Aspetti generali del metabolismo. Le diverse categorie di reazioni enzimatiche. Aspetti generali del metabolismo secondario.

Gli amminoacidi come precursori di molti metaboliti secondari. Biosintesi degli amminoacidi (aspetti generali). Caratteristiche generali degli amminoacidi aromatici. Biosintesi degli amminoacidi aromatici. Diversità tra batteri-funghi e piante del ramo del prefenato. Sintesi di tirosina da fenilalanina: fenilalanina idrossilasi (fenilchetonuria). Regolazione della via dello shikimato nei batteri e nelle piante (cenni). EPSP sintasi, sito di azione del glifosato. Meccanismo attività del glifosato. Residui amminoacidici della EPSP sintasi coinvolti nella interazione con il glifosato. EPSP sintasi glifosato-tolleranti. Piante glifosato-resistenti. Aspetti positivi e negativi dell'utilizzo del glifosato (cenni).

Il fenilpropano: struttura di base dei fenilpropanoidi e di tirosina e fenilalanina. La via generale dei fenilpropanoidi. Fenilalanina ammonio liasi e tirosina ammonio liasi. La cinnamato idrossilasi. Le reazioni tipiche della biosintesi dei fenoli. Acetil-CoA, precursore per la porzione polichetidica dei flavonoidi. Acetil-CoA carbossilasi. Calcone sintasi. Dal calcone gli altri flavonoidi (cenni). Le altre polichetide sintasi di tipo III. Regolazione trascrizionale e promotore della calcone sintasi. Ruoli naturali dei flavonoidi: la vicenina-2; coinvolgimento nella nodulazione; gli antociani e i colori.

Precursori metabolici dei terpenoidi. La via del mevalonato (MVA). Acetoacetil-CoA tiolasi e HMG-CoA sintasi: forme colesterogeniche e chetogeniche. HMG-CoA reduttasi: forme con diversa sensibilità alle statine. La via del metil-eritritol-fosfato (MEP). La DXP reduttoisomerasi, target della fosmidomicina. Statine e fosmidomicina: strumenti per lo studio dell'origine metabolica dei terpenoidi. Localizzazione cellulare e tassonomica delle vie MVA e MEP. Biosintesi dei terpenoidi: la fase di allungamento: preniltransferasi e localizzazione cellulare; le fasi di arrangiamento primario e secondario (cenni).

Il taxolo (paclitaxel): scoperta, origine, biosintesi (cenni), localizzazione cellulare, causa della citotossicità, ruolo fisiologico, diversa citotossicità in relazione alla struttura della tubulina. Produzione del taxolo. Prospettive di miglioramento nella produzione del taxolo: colture di cellule vegetali transgeniche. Ingegneria metabolica: le diverse strategie. Strategia olistica per l'ingegneria metabolica: l'esempio della catarantina. Vantaggi e svantaggi nell'utilizzo delle colture cellulari vegetali per la produzione di molecole di interesse. Utilizzo delle colture cellulari vegetali come sistema eterologo per la produzione di proteine complesse. Esempio della glucocerebrosidasi come agente terapico della malattia di Gaucher. Altri sistemi cellulari per la produzione di metaboliti: i bioreattori e i biocombustibili (cenni). L'esempio del bioidrogeno (dark fermentation, photofermentation e loro combinazione). Le potenzialità dei residui lignocellulosici in relazione ad interventi biotecnologici (cenni).

Origine biosintetica e ruolo della vitamina K. Ruolo fillochinone nella pianta. Ruolo menachinoni nei batteri. Distinzione funzionale tra ubichinone e menachinoni. Vitamina D (colecalciferolo, ergocalciferolo, calcitriolo, ercalcitriolo). Origine biosintetica del colecalciferolo. Vitamina A (il retinolo e i suoi derivati acidi e aldeidici). Ruolo del retinale nel sistema della visione (rodopsina e fotopsine). Origine biosintetica del retinale e del beta-carotene. La carenza di vitamina A. Fortificazione alimentare e biofortificazione. Il Golden Rice. I costrutti utilizzati per produrre il Golden Rice (prototipi, GR1 e GR2).

Specie reattive dell'ossigeno ed altre specie radicaliche di rilevanza biologica. Generazione biologica delle specie radicaliche. Reattività dei ROS e meccanismi. Danni ossidativi: DNA; perossidazione lipidica; ossidazione dei tioli proteici; ossidazione generica delle proteine. Meccanismi di difesa da stress ossidativo (superossido dismutasi; catalasi). Glutatione e glutatione perossidasi. Riciclo di glutatione ridotto a partire dal diglutatione: glutatione reduttasi. Glucosio 6-fosfato deidrogenasi e ruolo nella produzione di NADPH. Deficit di glucosio 6-fosfato deidrogenasi e relazione con favismo e malaria. Il ciclo redox indotto da isouramil e divicina. Molecole tioliche come omologhi funzionali del glutatione. Significato e valutazione del potere antiossidante nei sistemi biologici/sperimentali e nei sistemi alimentari.

Vitamina E (tococromanoli: tocoferoli e tocotrienoli). Fonti e origine biosintetica dei tocoferoli. Tocoferoli nei cloroplasti (plastoglobuli). Meccanismo dell'attività antiossidante dei tocoferoli. La triade antiossidante: alfa-tocoferolo, ascorbato, glutatione. Acido ascorbico (vitamina C). Attività redox dell'acido ascorbico. Origine biosintetica dell'acido ascorbico (animali, piante). Ruoli dell'acido ascorbico in piante e animali. Zeaxantina, violaxantina de-epossidasi e acido ascorbico (cenni). Acido ascorbico come cofattore delle idrossilasi alfa-chetoglutarato-dipendenti. L'acido ascorbico, il collagene e lo scorbuto. Gli acidi grassi essenziali, linoleico e linolenico.

Organo di riserva dei semi delle dicotiledoni e delle monocotiledoni. Macrocomposizione negli organi di riserva dei semi (endosperma, cotiledoni). Frazionamento di Osborne delle proteine di riserva dei semi. Le albumine 2S (struttura e relazione con proprietà allergeniche). Le globuline 7S e 11S. Le prolammine: gruppi di prolammine e struttura. Le prolammine del mais: le zeine. Le vie generali di smistamento delle proteine ai compartimenti cellulari. Le tipologie di corpi proteici in relazione alle prolammine. La definizione delle superfamiglie delle prolammine e delle cupine. Il glutine di frumento e sue proprietà tecnologiche-funzionali. Le proteine del glutine: glutenine e gliadine. Principali gruppi di gliadine e metodi analitici. Principali additivi chimici ed enzimatici per migliorare la "forza" dell'impasto e loro meccanismo di azione. Utilizzo della transglutaminasi nella trasformazione alimentare e nel settore biotecnologico. Principali allergeni proteici della farina di frumento (cenni). Aspetti generali e molecolari della malattia celiaca. Possibili applicazioni per ridurre la celiachia (modificazione chimica ed enzimatica delle proteine del glutine, "glutenasi", ecc.).

Proteine vegetali "tossiche". Le proteine che inattivano i ribosomi (RIP). Attività N-glicodidasica delle RIP. Meccanismo della citotossicità della ricina. L'attività antivirale delle RIP. La struttura generale di un anticorpo. Le immunotossine.

Biofilm, problema di impatto economico-sociale. Proprietà utili del biofilm. Struttura del biofilm. Stadi della genesi del biofilm ed il ruolo delle molecole del quorum sensing. Molecole antibiofilm.

Inoltre sono previsti degli approfondimenti e dei ripassi tra cui: le reazioni di transaminazione; espressione ricombinante di proteine (cenni); mutagenesi sito-diretta delle proteine (cenni); procedura canonica generale dal gene alla pianta transgenica (cenni); i "Double Strand Breaks" e l'editing del genoma tramite il sistema CRISPR/Cas9 (cenni); il sistema GS/GOGAT; gli enzimi della superfamiglia dei citocromi P450; struttura generale di un promotore (cenni); importanza biotecnologica dei promotori (cenni); analisi dei promotori (cenni); omica funzionale (metabolomica); immunomarcatura; marcatura per foto-affinità (un approccio per studiare l'interazione ligando-proteina); colture cellulari vegetali: procedura generale (cenni); dalla struttura primaria all'individuazione di possibili domini transmembrana; docking molecolare (cenni); mappatura degli epitopi (cenni); approccio generale per identificare allergeni proteici.

Per le esercitazioni di laboratorio: l'inibizione di una reazione enzimatica; il significato del valore di IC50 e sua estrapolazione da grafici dose-risposta; il saggio colorimetrico per la fosfatasi; le fosfatasi e la fosfatasi alcalina intestinale; l'impostazione di un report di laboratorio.
Prerequisiti
Principi di Chimica Organica.
Principi di Biochimica e di Biologia Molecolare.
Metodi didattici
Lezioni frontali ed esercitazioni di laboratorio.
Materiale di riferimento
Il materiale didattico verrà suggerito e/o messo a disposizione nei siti ARIEL del corso (https://eraggcmia.ariel.ctu.unimi.it ; http://fforlanibmia.ariel.ctu.unimi.it ).
Modalità di verifica dell’apprendimento e criteri di valutazione
L'esame consiste in una prova scritta ("Chimica delle molecole di interesse agroalimentare") e in una prova orale ("Biochimica delle molecole di interesse agroalimentare").

La prova scritta consiste in tre domande articolate a) sull'analisi della struttura di sostanze organiche naturali e sulla discussione di una possibile via biosintetica; b) una domanda di carattere generale su argomenti svolti durante il corso; c) una biosintesi dettagliata, con meccanismi di reazione, di un particolare metabolita secondario, tra quelli citati nel programma dell'unità.

Nella prova orale si valuterà il report sulle esercitazioni, l'esposizione di un argomento a scelta approfondito e la risposta ad ulteriori 1-2 domande sul programma dell'unità.

Le modalità delle singole prove verranno ulteriormente dettagliate a lezione dai docenti e nei siti ARIEL del corso (https://eraggcmia.ariel.ctu.unimi.it ; http://fforlanibmia.ariel.ctu.unimi.it ).

La votazione finale, espressa in trentesimi, sarà calcolata utilizzando la media ponderata (sulla base dei CFU) ottenuta nelle singole prove.
Moduli o unità didattiche
Unità Didattica 1: Chimica delle molecole di interesse agroalimentare
BIO/10 - BIOCHIMICA - CFU: 0
CHIM/06 - CHIMICA ORGANICA - CFU: 0
Esercitazioni di laboratorio a posto singolo: 8 ore
Lezioni: 20 ore

Unità Didattica 2: Biochimica delle molecole di interesse agroalimentare
BIO/10 - BIOCHIMICA - CFU: 0
CHIM/06 - CHIMICA ORGANICA - CFU: 0
Esercitazioni di laboratorio a posto singolo: 8 ore
Lezioni: 36 ore
Docente: Forlani Fabio

Docente/i
Ricevimento:
Per appuntamento
DeFENS - Sezione di Scienze Chimiche e Biomolecolari (ex DISMA; ed.21040 Facoltà di Scienze Agrarie e Alimentari)
Ricevimento:
tutti i giorni su appuntamento ore 10.30-12.30 14.30-18.30
studio