Syllabus del corso
Obiettivi
L'obiettivo del corso è quello di illustrare proprietà, strutture, reattività, funzioni biologiche e metodi di
caratterizzazione dei composti di rilevanza bioinorganica.
Contenuti sintetici
- Introduzione alla chimica bioinorganica
- Metodi fisici e spettroscopici per la caratterizzazione e lo studio di sistemi bioinorganici
- Fondamenti della teoria del trasferimento elettronico (teoria di Marcus e quantum tunneling);
- Struttura e funzione delle metallo proteine per il trasferimento elettronico
- Trasporto degli elettroni: il caso della citocromo c ossidasi
- Fotosintesi e PSII
- Trasposto, detossificazione e attivazione di O2
- Ruolo dei metalli nelle malattie: il caso del rame nelle malattie neurodegenerative
- Attivazione e catalisi di piccole molecole (CO2, CH4, CO, H2, N2)
Programma esteso
- Introduzione.
- Gli elementi chimici della tavola periodica nei sistemi viventi
- Concetto di elemento essenziale
- Metallo enzimi, metallomica omeostasi/disomeistasi dei metalli
- Cicli biogeochimici dei principali elementi implicati nella chimica degli organismi viventi, ruolo delle metalloproteine nei processi cellulari, modulazione delle proprietà termodinamiche e cinetiche dei metalli da parte delle proteine.
- Proprietà dei composti inorganici di rilevanza biologica (cofattori, metallo-proteine, complessi tra metalli e acidi nucleici).
- Ruolo strutturale e catalitico degli ioni metallici nei sistemi viventi.
- Richiami di biochimica: struttura delle proteine, delle membrane e dei principali cofattori;
- Proteine di membrana e loro struttura
- Proprietà stereo elettroniche dei cofattori metallici
- Composti biomimetici
- Tecniche di studio nella chimica bioinorganica: cristallografia XRD e cryoEM, spettroscopie, ciclo-voltametria e approcci della chimica quantistica e computazionale
- Trasferimento elettronico nelle metallo proteine
- Teoria di Marcus e quantum tunneling
- Proteine per il trasferimento elettronico e caratterizzazione dei cofattori (cluster Fe-S, gruppi eme e centri Cu)
- andamento delle costanti di velocità di ET al variare della distanza tra i centri redox
- Trasporto degli elettroni: il caso del citocromo-c ossidasi (cco, complesso IV)
- Richiami di metabolismo cellulare: principali cammini negli organismi eucarioti, respirazione cellulare e catena di trasporto degli elettroni
- Struttura del complesso proteico cco e struttura dei cofattori metallici
- Meccanismo di riduzione dell’ossigeno e di traslocazione protonica
- I trasportatori dell’ossigeno nei sistemi viventi (Mb, Hb, Ht, Hc).
- Attivazione dell’ossigeno molecolare e detossificazione da ROS
- Introduzione del ciclo biogeologico dell’ossigeno e Great Oxidation Event
- ROS nei sistemi viventi
- Metallo enzimi coinvolti nei processi di detossificazione da ROS (SOD, SOR e catalasi e loro meccanismi di azione)
- Disomeostasi dei metalli di transizione: il caso del rame nella malattia di Alzheimer
- Introduzione alla malattia di Alzheimer (AD)
- Le ipotesi eziologiche in AD (cascata amiloidea, stress ossidativo, disomeostasi dei metalli)
- Interazione rame- peptide amiloide e catalisi della riduzione dell’ossigeno a radicali ossidrilici
- Propagazione dei radicali OH e stress ossidativo
- Attivazione delle piccole molecole (1) – protoni ed H2
- Le idrogenasi e loro classificazione (FeFe, NiFe e Fe-only H2ase)
- FeFe e NiFe idrogenasi: funzione, struttura e meccanismo catalitico
- Attivazione delle piccole molecole (2) – CO2
- Attivazione della CO2 a livello chimico e biologico
- Organismi acetogeni e pathway di Wood-Ljungdahl pathway
- Metallo enzimi coinvolti nell’attivazione della CO2 negli acetogeni: CODH, complesso CODH-ACS e FDH
- Attivazione delle piccole molecole (3) – CH4
- Introduzione agli archeobatteri - microorganismi metanogeni e matanotrofi
- Pathway metabolico di riduzione della CO2 a CH4 nei metanogeni
- Struttura e meccanismo della Metil Coenzima M reduttasi (MCR)
- Pathway metabolico ossidazione del CH4 nei metanotrofi
- Struttura e meccanismo della metano monoossigenasi (MMO)
- Attivazione delle piccole molecole (4) – N2
- Ciclo dell’azoto e azotofissazione
- Struttura e meccanismo delle nitrogenasi
Prerequisiti
Conoscenze di base di biochimica (proteine, DNA e RNA, percorsi metabolici etc) e delle propietà chimico-fisiche degli ioni metallici e dei composti di coordinazione
Modalità didattica
Lezioni frontali in aula sugli aspetti teorici degli argomenti del corso e seminari monografici
Materiale didattico
I. Bertini, H.B. Gray, E.I. Stiefel, E.S. valentine "Biological Inorganic Chemistry: Structure and Reactivity" University Science Books, Sausalito, California
Slides delle lezioni del corso
Articoli scientifici selezionati inerenti le tematiche del corso
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Primo anno LM - Secondo Semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Esame orale
Orario di ricevimento
Su appuntamento tramite email a luca.bertini@unimib.it
Aims
The aim of the course is to illustrate properties, structures, reactivity, biological functions and methods of characterization of compounds of bioinorganic relevance.Contents
Introduction to bioinorganic chemistry
Physical and spectroscopic methods for the characterization and study of bioinorganic systems
Fundamentals of electron transfer theory (Marcus theory and quantum tunneling);
Structure and function of metal proteins for electron transfer
Electron transport: the case of cytochrome c oxidase
Photosynthesis and PSII
Detoxification and activation of O2
Role of metals in diseases: the case of copper in neurodegenerative diseases
Activation and catalysis of small molecules (CO2, CH4, CO, H2, N2)
Prerequisites
Teaching form
lessons regarding the concenptual aspects and monographic seminars
Textbook and teaching resource
I. Bertini, H.B. Gray, E.I. Stiefel, E.S. valentine "Biological Inorganic Chemistry: Structure and Reactivity" University Science Books, Sausalito, California
Course slides and scientific papers
Semester
First year LM - Second Semester
Assessment method
Oral examination
Office hours
Write to luca.bertini@unimib.it
Staff
-
Luca Bertini