BIOLOGIA MOLECOLARE E BIOLOGIA MOLECOLARE AVANZATA 1

Modulo BIOLOGIA MOLECOLARE

Conoscenza e comprensione

Il modulo di Biologia Molecolare si propone di fornire agli studenti le conoscenze fondamentali riguardanti la struttura, l'organizzazione e la funzione delle principali macromolecole biologiche, con particolare riferimento alle proteine e agli acidi nucleici. Lo studente sarà in grado di descrivere le relazioni fra la struttura e la funzione delle principali macromolecole biologiche, comprendere i meccanismi molecolari alla base della replicazione del DNA, della trascrizione e della traduzione nei procarioti e negli eucarioti e interpretare il ruolo dei processi di regolazione dell’espressione genica, del processamento degli RNA e delle modificazioni post-traduzionali delle proteine. Lo studente acquisirà inoltre la capacità di comprendere e discutere criticamente l’organizzazione dei geni e dei genomi, di interpretare dati sperimentali relativi all’analisi di DNA, RNA e proteine e di applicare le conoscenze teoriche alla comprensione delle principali metodiche di Biologia Molecolare, incluse tecniche di clonaggio, amplificazione, sequenziamento e analisi delle interazioni biomolecolari. Sarà infine in grado di utilizzare correttamente la terminologia scientifica specifica della disciplina, collegare aspetti teorici e sperimentali della Biologia Molecolare e sviluppare autonomia nell’analisi e nella comunicazione di contenuti scientifici. Inoltre, in riferimento ai cosiddetti Descrittori di Dublino, questo corso contribuisce a acquisire le seguenti competenze:

D1 - Conoscenza e capacità di comprensione: lo studente acquisirà conoscenze sui principi fondamentali della Biologia Molecolare, sulla struttura e funzione delle macromolecole biologiche e sui meccanismi di replicazione, trascrizione e traduzione. Comprenderà inoltre i processi di regolazione dell’espressione genica, e saprà interpretare criticamente i risultati ottenuti mediante le principali tecniche di analisi di DNA, RNA e proteine, riconoscendone applicazioni, vantaggi e limiti sperimentali

D2 - Capacità di applicare conoscenza e comprensione: lo studente alla fine del corso sarà in grado di applicare le conoscenze teoriche all’interpretazione dei processi molecolari cellulari e dei dati sperimentali. Saprà comprendere e utilizzare concetti e metodiche di base della Biologia Cellulare e Molecolare in ambito biotecnologico e biomedico.

D3 - Autonomia di giudizio: al termine del corso, lo studente svilupperà capacità critiche nell’analisi dell’organizzazione dei geni e dei meccanismi di regolazione dell’espressione genica. Sarà in grado di scegliere le tecniche di indagine più adeguate in relazione al problema sperimentale, e di interpretare risultati sperimentali formulando valutazioni basate sulle evidenze scientifiche.

D4 - Abilità comunicative: lo studente acquisirà la capacità di utilizzare correttamente il linguaggio scientifico della biologia molecolare. Saprà esporre in modo chiaro e rigoroso concetti teorici, metodologie e dati sperimentali.

D5 - Capacità di apprendimento: lo studente svilupperà autonomia nello studio e nell’approfondimento dei contenuti della disciplina. Sarà in grado di integrare conoscenze teoriche e sperimentali e di aggiornarsi attraverso la consultazione della letteratura scientifica.

Il corso si svolgerà principalmente attraverso lezioni frontali, supportate dall'ausilio di presentazioni PowerPoint che saranno progressivamente messe a disposizione degli studenti sulla piattaforma Studium per facilitare lo studio individuale. La didattica teorica potrà essere affiancata da esercitazioni in aula, finalizzate all'applicazione concreta dei concetti appresi e a favorire il confronto attivo. Le diverse modalità didattiche sono finalizzate al raggiungimento dei risultati di apprendimento attesi, favorendo sia l'acquisizione delle conoscenze teoriche sia lo sviluppo delle competenze applicative.

Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto sopra dichiarato, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel presente syllabus.

A garanzia di pari opportunità e nel rispetto delle leggi vigenti, gli studenti interessati possono chiedere un colloquio personale in modo da programmare eventuali misure compensative e/o dispensative, in base agli obiettivi didattici ed alle specifiche esigenze. E' possibile rivolgersi anche al referente CInAP (Centro per l’integrazione Attiva e Partecipata - Servizi per le Disabilità e/o i DSA) del Dipartimento di Scienze Biomediche e Biotecnologiche.

Per una proficua frequenza del modulo è importante che lo studente possieda conoscenze di base relative all'organizzazione della cellula, alla struttura e funzione delle principali biomolecole, nonché ai fondamenti di chimica generale, chimica organica e biochimica. Tali conoscenze costituiscono una solida base per comprendere i meccanismi molecolari affrontati durante il corso.

Propedeuticità formali: Biologia dei microrganismi, Biologia generale e applicata, Chimica generale e inorganica, Chimica organica, Genetica.

La frequenza è obbligatoria nella misura prevista dal Regolamento Didattico del Corso di Laurea in Biotecnologie. La partecipazione attiva alle lezioni e alle attività interattive è fortemente raccomandata, in quanto favorisce una migliore comprensione degli argomenti trattati e consente di sviluppare capacità di analisi critica e applicazione delle conoscenze acquisite.

Il modulo di Biologia Molecolare affronta i principi fondamentali che regolano la struttura, la funzione e la dinamica delle macromolecole biologiche, con particolare riferimento ai meccanismi molecolari coinvolti nella conservazione, trasmissione ed espressione dell'informazione genetica.

Il programma comprende i seguenti argomenti:

1. Macromolecole biologiche: principi strutturali e funzionali

Struttura e proprietà delle principali macromolecole biologiche. Relazione struttura-funzione delle proteine, degli acidi nucleici e dei complessi macromolecolari. Organizzazione gerarchica delle strutture biologiche e ruolo delle interazioni molecolari.

2. Proteine: struttura e funzione

Organizzazione strutturale delle proteine. Livelli di organizzazione (struttura primaria, secondaria, terziaria e quaternaria). Relazione tra conformazione e funzione proteica. Proteine coinvolte nei processi fondamentali della biologia molecolare.

3. Acidi nucleici: struttura e organizzazione

Proprietà dei nucleotidi. Struttura chimica del DNA e dell'RNA. Differenze strutturali e funzionali tra DNA e RNA. Organizzazione della doppia elica del DNA.

4. Organizzazione dei genomi

Struttura fisica dei genomi procariotici ed eucariotici. Organizzazione del materiale genetico. Densità genica e complessità degli organismi viventi. Cromatina e livelli di compattamento del DNA negli eucarioti. La topologia del DNA.

5. Trasmissione dell'informazione genetica: il dogma centrale della biologia molecolare

Concetto di flusso dell'informazione genetica. Relazione DNA-RNA-proteina. Principali eccezioni e modificazioni del dogma centrale.

6. Replicazione del DNA

Meccanismi molecolari della replicazione del DNA. Enzimi coinvolti nella replicazione. Replicazione semiconservativa, origine della replicazione, sintesi del filamento guida e del filamento discontinuo. Confronto fra batteri ed eucarioti. La replicazione delle estremità cromosomiche: telomeri e telomerasi.

7. Trascrizione nei procarioti e negli eucarioti

Meccanismi molecolari della trascrizione. RNA polimerasi e fattori associati. Organizzazione dell'unità trascrizionale. Differenze tra trascrizione procariotica ed eucariotica. RNA polimerasi I, II e III, e fattori di trascrizione negli eucarioti.

8. Regolazione dell'espressione genica

Regolazione della trascrizione nei procarioti. Organizzazione ad operoni e modelli degli operoni lac, trp e ara. Concetti di base della regolazione dell'espressione genica negli eucarioti. Ruolo degli elementi regolatori e dei fattori di trascrizione.

9. Processamento dell'RNA

Maturazione degli RNA. Processamento di tRNA, rRNA e mRNA. Modificazioni post-trascrizionali dell'mRNA. Splicing e splicing alternativo. Editing dell’RNA.

10. Sintesi proteica e regolazione della traduzione

Struttura e funzione dei ribosomi. Codice genetico. Meccanismo della traduzione: inizio, allungamento e terminazione.

11. Modificazioni post-traduzionali delle proteine

Processi di maturazione e modificazione delle proteine dopo la traduzione. Importanza biologica delle modificazioni post-traduzionali nella regolazione della funzione proteica.

12. Tecniche di biologia molecolare

Principi e applicazioni delle principali metodologie molecolari:

• manipolazione degli acidi nucleici
• DNA ricombinante e clonaggio molecolare
• Southern blot e Northern blot
• PCR, RT-PCR e qPCR
• sequenziamento del DNA
• studio delle interazioni proteina-acido nucleico
• Western blot
• cromatografia
• immunoprecipitazione

organismi transgenici

Testo di riferimento

1. Zlatanova J., van Holde K. Biologia Molecolare: Struttura e dinamica dei Genomi e Proteomi. Zanichelli, 2018.

Materiale aggiuntivo:

Materiale didattico fornito dal docente (presentazioni delle lezioni, eventuali articoli scientifici e materiale di approfondimento).

La verifica dell’apprendimento del modulo di Biologia Molecolare è parte integrante della verifica finale dell’insegnamento integrato Biologia Molecolare e Biologia Molecolare Avanzata.

Al termine del primo semestre, in cui viene impartito il modulo di Biologia molecolare, gli studenti frequentanti almeno il 70% delle lezioni sosterranno una prova in itinere sugli argomenti del primo modulo consistente in un test così organizzato:

- 30 domande a risposta multipla (+1 risposta corretta, 0 risposta sbagliata), 1 problema (max 2 punti), 1 domanda aperta (max 2 punti): 34 punti potenziali totali. 1 ORA di tempo.

Gli studenti che hanno sostenuto e superato la prova scritta relativa al modulo di Biologia Molecolare (primo semestre) potranno sostenere la prova scritta relativa al modulo di Biologia Molecolare Avanzata (secondo semestre). La valutazione finale dell’insegnamento integrato sarà determinata dalla media aritmetica dei voti conseguiti nelle due prove.

Per ciascuna prova scritta è necessario conseguire una votazione minima di 16/30. La media delle due prove deve risultare almeno pari a 18/30 per il superamento dell’esame.

Gli studenti che conseguono una valutazione complessiva pari o superiore a 24/30 possono richiedere un colloquio orale integrativo finalizzato al miglioramento della valutazione. Il voto ottenuto nel colloquio orale potrà confermare o migliorare la valutazione conseguita nelle prove scritte, ma non potrà determinarne una riduzione.

Gli studenti che non abbiano sostenuto o non abbiano superato la prova scritta del modulo di Biologia Molecolare potranno sostenere una prova scritta unica relativa all’intero insegnamento. In tale caso, il superamento dell’esame richiede il conseguimento di una votazione minima di 18/30.

La prova scritta unica relativa all’insegnamento integrato è costituita da:

• 60 domande a risposta multipla
• risposta corretta: +0,5 punti;
• risposta errata: -0,1 punti;
• 2 problemi applicativi (massimo 1 punto ciascuno);
• 2 domande a risposta aperta (massimo 1 punto ciascuna).

Il punteggio massimo teorico è pari a 34 punti.

Non saranno valutati gli elaborati nei quali non risulti alcuna risposta alle domande o ai problemi proposti.

La valutazione tiene conto della correttezza delle risposte, della capacità dello studente di collegare i diversi argomenti del programma, della comprensione dei meccanismi molecolari e della capacità di applicare le conoscenze acquisite alla soluzione di problemi biologici.

La verifica dell’apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere.

A garanzia di pari opportunità e nel rispetto delle leggi vigenti, gli studenti interessati possono chiedere un colloquio personale in modo da programmare eventuali misure compensative e/o dispensative, in base agli obiettivi didattici ed alle specifiche esigenze. È possibile rivolgersi anche al docente referente CInAP (Centro per l’integrazione Attiva e Partecipata — Servizi per le Disabilità e/o i DSA) del Dipartimento di Scienze Biomediche e Biotecnologiche.

Domande a risposta multipla

Durante la replicazione del DNA, quale enzima è responsabile della sintesi del primer?

a) DNA ligasi; b) Elicasi; c) Primasi; d) DNA polimerasi III; e) Topoisomerasi

Risposta corretta: c)

Domanda a risposta aperta

Descrivere il meccanismo molecolare della replicazione del DNA negli organismi eucariotici, indicando il ruolo delle principali proteine coinvolte.