Chimica e biochimica delle molecole di interesse agroalimentare

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

Lezioni: Introduzione. Metabolismo primario e metabolismo secondario; ruolo dei prodotti del metabolismo secondario nelle interazioni tra pianta e ambiente. Sostanze allelopatiche ed elicitori. Sostanze repellenti ed attrattori; Mattoni biosintetici per il metabolismo secondario. AcetilCoA, acido shikimico, acido mevalonico e metileritritolo fosfato.

Meccanismi di reazione nella biosintesi delle sostanze naturali. Reazioni di alchilazione: sostituzione nucleofila (SAM), addizione elettrofila, trasposizioni di Wagner-Meerwein; Reazioni basate sulla formazione dell'anione enolato: reazioni aldoliche e reazioni di Claisen. Formazione del legame C-N: immine, reazione di Mannich, transaminazioni. Reazioni di decarbossilazione: α-aminoacidi, α-chetoacidi, β-chetoacidi; Reazioni di ossidazione e riduzione. Deidrogenasi (NAD e FAD), Ossidasi, Ossigenasi, Baeyer-Villiger monoossigenasi; Accoppiamento ossidativo dei fenoli; reazioni di O-glicosidazione (formazione e idrolisi); reazioni di C-glicosidazione.

La via dell'acetato: acidi grassi e polichetidi. Acidi grassi saturi e insaturi, prostaglandine, trombossani, leucotrieni; Macrolidi; Polichetidi lineari e aromatici. Modifiche post-polichetide sintetasi. Via biogenetica mista del THC.

La via dello shikimato: amminoacidi aromatici e fenilpropanoidi. Via dell'acido shikimico; Acidi benzoici; Tannini: classificazione. Tannini idrolizzabili; Fenilpropanoidi; Amminoacidi aromatici; Acidi cinnamici e alcol cinnamici; Lignani e lignina; Fenilpropeni; Cumarine; Polichetidi aromatici; Biogenesi MISTA (via acetato + via shikimato); Flavonoidi; Stilbenoidi; Chinoni terpenoidici.

Le vie del mevalonato e del metileritritolo fosfato: terpenoidi e steroidi. Terpeni. Regola isoprenica. Accoppiamento testa-coda. Acido mevalonico e metileritritolo fosfato; Emiterpeni: isoprene, DMAPP e IPP; Monoterpeni lineari e ciclici; Monoterpeni irregolari; Monoterpeni Iridoidi; Sesquiterpeni. Sesquiterpeni lineari e ciclici; Diterpeni lineari e ciclici; Triterpeni. Triterpeni lineari e ciclici; Fitosteroli; Saponine triterpenoidiche; Vitamine del gruppo D; Glicosidi cardioattivi; Tetraterpeni; Gomme naturali e guttaperca

Alcaloidi. Principi antinutrizionali: Cenni sulla biosintesi degli alcaloidi a partire dai corrispondenti amminoacidi. Struttura e funzione delle immine e meccanismo di alchilazione di Mannich; Classificazione degli alcaloidi; Alcaloidi derivanti dall'ornitina; Biosintesi nuclei tropanici; Biosintesi nuclei piridinici; Biosintesi nuclei chinolinici; Alcaloidi derivati da aminoacidi aromatici.

Esercitazioni: Estrazione dell'olio essenziale dalla lavanda in corrente di vapore, cromatografia TLC dell'olio essenziale; Idrolisi di trigliceridi-saponificazione.


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 del ramo del prefenato, tra batteri-funghi e piante. 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.

Il taxolo (paclitaxel): scoperta, origine, biosintesi, 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.

Inoltre sono previsti degli approfondimenti e/o dei ripassi utili alla comprensione degli argomenti affrontati 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.