Syllabus del corso
Obiettivi
L'insegnamento di Biochimica delle Proteine mira a fornire una comprensione approfondita delle relazioni tra struttura e funzione delle proteine, considerando implicazioni fisiologiche, evolutive, patologiche e biotecnologiche. Gli obiettivi specifici includono:
1. Conoscenza e capacità di comprensione
Al termine dell'insegnamento, lo studente avrà acquisito conoscenze sui meccanismi di ripiegamento delle proteine, la loro flessibilità strutturale, transizioni conformazionali e funzionali, evoluzione naturale e directed-evolution, e le interazioni proteina-proteina in condizioni sia fisiologiche che patologiche.
2. Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Lo studente sarà in grado di riconoscere i principali meccanismi di funzionamento e malfunzionamento delle proteine, applicando tali conoscenze in contesti biotecnologici e progettuali.
- Autonomia di giudizio
Lo studente sarà capace di prevedere gli effetti di vari contesti ambientali sulle proteine, sviluppando una visione critica e originale nell'interpretazione e soluzione di problemi biologici complessi.
4. Abilità comunicative
Alla fine dell'insegnamento, lo studente avrà acquisito il lessico e le capacità linguistiche appropriate per descrivere i fenomeni biochimici e molecolari.
5. Capacità di apprendimento
Lo studente sarà in grado di affrontare con successo insegnamenti avanzati nell'ambito della Protein Science e di comprendere la letteratura scientifica relativa.
Contenuti sintetici
- Struttura delle proteine e metodi per il loro studio.
- Studi in vitro e in vivo sul folding delle proteine.
- Interazioni proteina-proteina, separazione e transizione di fase delle biomolecole.
- Meccanismi di turnover delle proteine.
- Principi di evoluzione naturale ed evoluzione diretta delle proteine.
Programma esteso
1. Struttura delle proteine e metodi per il loro studio
Ordine e disordine strutturale. Elementi e motivi strutturali
Tecniche per studi strutturali di proteine: Cristallografia a raggi X, Elettro-crio microscopia, Spettroscopia NMR
Spettrometria di Massa (MS) per la caratterizzazione conformazionale delle proteine e l'analisi delle modificazioni post-traduzionali
Misura del grado di somiglianza delle proteine
Convergenza/divergenza nella struttura delle proteine analizzate attraverso casi di studio
Cenni a strumenti bioinformatici per la predizione strutturale (es. AlphaFold) e la modellazione molecolare
2. Studi in vitro e in vivo sul folding delle proteine
Aspetti termodinamici e cinetici del folding proteico
Teorie sul folding proteico
Folding delle proteine in vivo e ruolo delle chaperonine
Importanza degli eventi di traduzione sul folding delle proteine
Risvolti biotecnologici del controllo della velocità di traduzione
Misfolding proteico e le sue implicazioni nelle patologie umane
3. Interazioni proteina-proteina, separazione e transizione di fase delle biomolecole
Metodi per lo studio delle interazioni proteina-proteina (microcalorimetria, surface plasmon resonance, FRET, pull-down & MS).
Fenomeni chimico-fisici alla base della condensazione delle biomolecole.
Esempi di rilevanza biologica della condensazione delle biomolecole.
Da condensati liquidi ad aggregati solidi: aspetti fisiologici e patologici della transizione di fase.
Tipologie di aggregati proteici. Fibrille amiloidi e proteine prioniche. Hallmark di aggregazione amiloide.
Dai meccanismi di propagazione ai dispositivi diagnostici di patologie amiloidi.
4. Meccanismi di turnover delle proteine
Panoramica sui meccanismi cellulari di turnover delle proteine
Cenni all'autofagia come meccanismo di degradazione e riciclo cellulare
Degradazione delle proteine mediante il sistema ubiquitina-proteasoma (UPS)
Potenziale farmacologico dei meccanismi naturali di UPS e farmaci di tipo “dual target degrader”
Studio di casi
5. Principi di evoluzione naturale ed evoluzione diretta delle proteine
Concetti generali su evoluzione naturale ed evolvibilità nella prospettiva della progettazione biotecnologica delle proteine.
Tasso di evoluzione delle proteine e protein fitness landscape.
Ruolo della variazione fenotipica e del neutral drift nell'evoluzione delle proteine.
Vari approcci di ingegneria proteica e panoramica sulle tecniche di evoluzione diretta (es. random mutagenesis, DNA shuffling, site-directed mutagenesis).
Casi di studio di applicazioni biotecnologiche dell'ingegneria e dell'evoluzione diretta delle proteine (es. enzimi industriali, biofarmaci).
Prerequisiti
- Conoscenze di base di Biochimica e Biologia cellulare.
- Non sono previste propedeuticità.
Modalità didattica
L'insegnamento prevede 21 lezioni (6 CFU) che si svolgeranno in presenza, in modalità mista: convenzionale 'erogativa' nella parte iniziale, e 'interattiva' nella parte successiva, con il coinvolgimento degli studenti nella risoluzione di problemi, discussioni e analisi di lavori scientifici.
Parte delle lezioni (fino a 4) sarà svolta in copresenza, nella forma di seminari tenuti da esperti che illustreranno l'applicazione di specifiche tecniche per lo studio strutturale o funzionale delle proteine.
In base alle richieste specifiche degli studenti, potranno essere introdotti nuovi argomenti o analizzate nuove tecniche per lo studio della struttura e della funzione delle proteine. In relazione al numero di studenti frequentanti, potranno essere organizzati lavori di gruppo volti all’analisi della letteratura scientifica.
Materiale didattico
Libro di testo consigliati: Lehninger Principles of Biochemistry, Voet & Voet Biochemistry; Branden & Tooze Introduction to Protein Structure
Slides e videolezioni: reperibili sulla pagina Moodle dell’insegnamento (http://elearning.unimib.it/).
Articoli scientifici citati/descritti durante le lezioni
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Primo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Prova orale della durata di 30-40 minuti, articolata in due parti:
- Esposizione con slide ppt di un articolo scientifico concordato con il docente (durata: 15 minuti), seguita da domande inerenti all'articolo (5-10 minuti).
- Colloquio sugli argomenti svolti a lezione (almeno da due dei cinque blocchi tematici) (10-15 minuti).
La valutazione considera il grado di comprensione degli argomenti, la capacità di individuare connessioni tra i contenuti disciplinari, l’utilizzo di un linguaggio appropriato e la chiarezza espositiva.
Gli studenti iscritti al primo appello potranno esporre l'articolo scientifico in forma di seminario rivolto alla classe.
Orario di ricevimento
Su appuntamento, per mail a stefania.brocca@unimib.it
Sustainable Development Goals
Aims
This course aims to deepen concepts related to the relationships between the structure and function of proteins within a pathway that, starting from physiological and evolutionary aspects, considers pathological implications and biotechnological applications of proteins. Some biophysical and biochemical techniques suitable for studying the structure, function and modification of individual proteins or biochemical circuits will be described. By emphasising the need for a multidisciplinary approach, the course aims to offer not only cognitive but also methodological tools useful for the study, control and biotechnological exploitation of complex biological phenomena involving proteins. The general objectives are as follows:
Knowledge and understanding
By the end of the course, students will have acquired knowledge about the mechanisms of protein folding, the relevance of structural flexibility and functional promiscuity, conformational and functional transitions, natural evolution and directed-evolution of proteins, conformational transitions often associated with the establishment of protein-protein interactions, under both physiological and pathological conditions. Students will acquire knowledge of some techniques for structural and functional studies of some classes of proteins.
Ability to apply knowledge and understanding
The examples illustrated during the lectures bring out the main mechanisms of (mal)functioning of proteins, associated with their structural peculiarities and interaction with the environment. It is expected that they can be recognised in contexts other than those exemplified and are potentially applied, for example, to design new 'synthetic' proteins. It is expected that students learn to recognise the various contexts in which the techniques outlined in the course are profitably applicable.
Autonomy of judgment
Students will be stimulated to recognise the relationships between protein structure and function and to predict the effects of certain environmental contexts on both these aspects.
Students will be encouraged to personally identify the wealth of connections between the main topics of this course. The identification of complex biological problems and the development of original solutions increasingly requires the use of knowledge from different and complementary disciplinary fields - from cell biology to chemistry to physics. Grasping relationships between different phenomena (e.g. molecular and biophysical) and exploiting the complementarity of different investigative techniques creates the prerequisites for proposing new visions, developing a critical sense and offering new solutions.
Students will be able to predict the effects of various environmental contexts on proteins, developing a critical and original perspective in interpreting and solving complex biological problems.
Communication skills
By the end of the course, students will have acquired the appropriate vocabulary and linguistic skills to describe the biochemical and molecular phenomena covered in the course.
Learning skills
Students will be able to successfully tackle advanced courses in Protein Science and understand the scientific literature in these disciplinary areas.
Contents
- Protein structure and methods for their study.
- In vitro and in vivo studies on protein folding.
- Protein-protein interactions, biomolecule phase separation and transition.
- Protein turnover mechanisms.
- Principles of natural evolution and directed evolution of proteins
Detailed program
1. Protein structure and methods for their study
Structural order and disorder. Structural elements and motifs.
Techniques for structural protein studies: X-ray Crystallography, Cryo-electron Microscopy, NMR Spectroscopy.
Mass Spectrometry (MS) for protein characterization and post-translational modification analysis.
Measuring protein similarity.
Convergence/divergence in protein structure analyzed through case studies.
Introduction to bioinformatic tools for structural prediction (e.g., AlphaFold) and molecular modeling.
2. In vitro and in vivo studies on protein folding
Thermodynamic and kinetic aspects of protein folding.
Theories of protein folding.
Protein folding in vivo and the role of chaperonins.
Importance of translational events on protein folding.
Biotechnological implications of controlling translation speed.
Protein misfolding and its implications in human pathologies.
3. Protein-protein interactions, biomolecule phase separation and Ttransition
Methods for studying protein-protein interactions: Microcalorimetry, Surface Plasmon Resonance, FRET, Pull-down & MS.
Physicochemical phenomena underlying biomolecule condensation.
Examples of biological relevance of biomolecule condensation.
From liquid condensates to solid aggregates: physiological and pathological aspects of phase transition.
Types of protein aggregates. Amyloid fibrils and prion proteins. Hallmarks of amyloid aggregation.
From propagation mechanisms to diagnostic devices for amyloid pathologies.
4. Mechanisms of protein turnover
Overview of cellular protein turnover mechanisms.
Introduction to autophagy as a cellular degradation and recycling mechanism.
Protein degradation via the ubiquitin-proteasome system (UPS).
Pharmacological potential of natural UPS mechanisms and "dual target degrader" drugs.
Case studies
5. Principles of natural and nirected protein evolution
General concepts of natural evolution and evolvability from the perspective of biotechnological protein design.
Protein evolution rate and protein fitness landscape.
Role of phenotypic variation and neutral drift in protein evolution.
Various protein engineering approaches and an overview of directed evolution techniques (e.g., random mutagenesis, DNA shuffling, site-directed mutagenesis).
Case studies of biotechnological applications of protein engineering and directed evolution (e.g., industrial enzymes, biopharmaceuticals).
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Prerequisites
• Basic knowledge of Biochemistry and Cell Biology.
• No prerequisite courses are required.
Teaching form
The course consists of 24 lessons (6 ECTS) delivered in a mixed mode, conventional and interactive. The conventional lecture-based format necessitates in-person attendance, whereas the interactive format encourages active student participation in the analysis and interpretation of recently published scientific papers.
A number of lessons (up to four) will be conducted with guest experts who will deliver seminars illustrating the application of specific techniques for the structural or functional study of proteins.
New study topics may be introduced based on student requests
Depending on the number and requests of attending students, group work aimed at analyzing scientific literature may be carried out.
Textbook and teaching resource
• Recommended textbooks: Lehninger Principles of Biochemistry, Voet & Voet Biochemistry; Branden & Tooze Introduction to Protein Structure.
• Slides and video lessons: available on the course Moodle page (http://elearning.unimib.it/).
• Scientific articles cited/described during lectures.
Semester
First semester
Assessment method
An oral examination lasting 30-40 minutes, structured in two parts:
• Presentation with PowerPoint slides of a scientific article agreed upon with the lecturer (duration: 15 minutes), followed by questions related to the article (5-10 minutes).
• Questions on the content of the frontal lectures (from at least two of the five thematic blocks) (10-15 minutes).
The evaluation considers the degree of understanding of the topics, the ability to identify connections between disciplinary contents, the use of appropriate language, and clarity of exposition.
Students enrolled for the first examination session may present their scientific article in the form of a seminar to the class.
Office hours
By appointment, contact via email at stefania.brocca@unimib.it
Sustainable Development Goals
Staff
-
Stefania Brocca
