CHIMICA ORGANICA DELLE BIOMOLECOLE - METODI FISICI IN CHIMICA ORGANICA E LABORATORIO

Crediti: 
12
Anno accademico di offerta: 
2016/2017
Semestre dell'insegnamento: 
Secondo Semestre
Lingua di insegnamento: 

Italiano

Obiettivi formativi

Il corso si prefigge l'obiettivo di fornire agli studenti conoscenze relative
alla reattività di composti organici con valenza biologica come i
carboidrati, gli amminoacidi, gli acidi nucleici, i lipidi, alla possibilità di
modificarli chimicamente e di utilizzarli per la sintesi di molecole più
complesse prospettando alcune delle possibili applicazioni in vari settori
della scienza.
In accordo con i Descrittori di Dublino, il corso punta a rendere gli
studenti capaci di comprendere problematiche di progettazione, sintesi e
applicazione delle classi di molecole sopra riportate; di pianificare
strategie di sintesi conoscendo potenzialità, limiti e difficoltà correlati a
questotipo di composti; di comprendere e interpretare criticamente la
letteratura ad essi inerente; di dialogare con persone con formazione
scientifica di aree diverse quali la biologia, la biochimica, la biotecnologia.
Il corso si propone inoltre di fornire allo studente i mezzi necessari per l'analisi strutturale di molecole organiche mediante l'impiego di tecniche
spettroscopiche 1D e 2D NMR avanzate. Lo studente sarà in grado di identificare autonomamente la struttura di un composto organico mediante l’interpretazione di una serie di spettri NMR mono- e bi-dimensionali.

Prerequisiti

Chimica Organica 1 e 2

Contenuti dell'insegnamento

Proprietà chimico fisiche e di reattività di carboidrati, amminoacidi e peptidi, lipidi e acidi nucleici.Modifica delle loro strutture e sintesi di loro oligomeri. Mimici sintetici. Utilizzo come materia prima per preparazione di prodotti chimici. Interazioni non covalenti con specie molecolari e macromolecolari. Applicazioni.

Proprietà magnetiche dei nuclei. Modello Vettoriale. Trasformata di
Fourier e manipolazione dei dati NMR. Spettroscopia NMR bidimensionale.
Formalismo degli operatori prodotto. Fenomeni di rilassamento e scambio
chimico. Funzionamento di uno spettrometro NMR. Interpretazione di spettri 1D e 2D e determinazione della struttura di un composto organico.

Programma esteso

Amminoacidi e peptidi
Perché sintetizzare un peptide. Struttura e proprietà di amminoacidi e peptidi. Gruppi protettori dell’azoto: inserimento e rimozione. Possibili reazioni secondarie. Gruppi protettori del gruppo carbossilico e del gruppo ossidirilico.
Metodi di attivazione e di coniugazione. Possibili fenomeni di racemizzazione.
Metodi di sintesi su fase solida. Resine e condizioni di distacco.

Carboidrati
Ruolo dei carboidrati in processi di natura non metabolica. Struttura, proprietà, nomenclatura. Effetto anomerico. Reazioni di ossidazione e riduzione. Reazioni di glicosilazione: concetto di glicosildonatore e glicosilaccettore, promotori, gruppi protettori. Sintesi del legame glicosidico per via enzimatica. Sintesi di oligosaccaridi e glicoconiugati su fase solida. Sintesi di cluster glicosidici e concetto di multivalenza o effetto cluster glicosidico. Carboidrati come materia prima per molecole della chimica fine.

Acidi nucleici
Struttura e proprietà. Sintesi. Acidi nucleici modificati e mimici. Strategie antigene e antisenso. Interazioni tra acidi nucleici e molecole varie. Acidi nucleici come materiale intelligente per le nanotecnologie

Lipidi
Struttura e proprietà. Reazioni di autoossidazione. Esempi di sintesi di lipidi complessi. Processi di auto assemblaggio di lipidi: doppi strati, micelle, vescicole, liposomi. Applicazioni nel delivery. Determinazione di dimensioni e potenziale zeta mediante DLS. Studio mediante AFM e TEM.

Proprietà dei nuclei: momento angolare e momento angolare di spin. Magnetismo microscopico. Correlazione tra magnetismo e momento angolare di spin. Frequenze NMR e “Chemical Shift”. Forma e larghezza dei segnali.
Accoppiamento scalare. L'esperimento NMR di base.

Modello Vettoriale. La magnetizzazione. Precessione degli spin e frequenza di Larmor. Rilevamento segnale NMR. Impulsi. Impulsi "on resonance". Campo di riferimento rotante. Sequenza base impulso-acquisizione. Calibrazione degli impulsi. Spin-Echo. Impulsi di diversa fase. Effetti "off-resonance" e impulsi "soft".

Trasformata di Fourier e data processing. Rappresentazione del FID. Forma e fase del segnale. Manipolazione del FID e dello spettro. Zero filling.

Concetti fondamentali di spettroscopia 2D NMR. Esperimenti 2D NMR con trasferimento di coerenza mediante J-coupling. COSY e DQF-COSY : sequenza impulsi ed interpretazione degli spettri. Spettroscopia NMR a doppio quanto. Spettri 2D NMR eterocorrelati: esperimenti HMQC, HSQC e HMBC. Spettroscopia di correlazione a lungo raggio: esperimento TOCSY.

Rilassamento e Effetto Overhauser Nucleare (NOE). L'origine del fenomeno di rilassamento nucleare. Meccanismi di rilassamento. Il tempo di correlazione. Popolazione degli stati. Rilassamento longitudinale di spin
rosolati. Rilassamento longitudinale dipolare di due spin. NOE. Rilassamento trasversale. Rilassamento dovuto ad anisotropia di chemical shift. Rilassamento incrociato.
Esperimenti NOEDif, NOESY e ROESY: sequenze di impulsi ed interpretazione degli spettri.

Esercitazioni: determinazione della struttura di molecole organiche complesse mediante spettroscopia 1D e 2D NMR.
Funzionamento di un moderno Spettrometro NMR. Magnete e Probe, Lock Channel, Shim e omogeneità del campo magnetico. Sintetizzatore di RF, amplificatore e duplexer. Ricevitore e Quadrature detection. Convertitore analogico-digitale e limiti della digitalizzazione.

Acquisizione e manipolazione di spettri 1D NMR (1H e 13C).

Bibliografia

Peptidi e Peptidomimetici, V. Santagada, G. Caliendo, Piccin Nuova
Libraria, 2003
- The Sugar Code. Fundamentals of Glycosciences, Hans-Joachim Gabius
Ed., 2009 Wiley -VCH Verlag, Weinheim
- Carbohydrates in Chemistry and Biology, B. Ernst, G. W. Hart, P. Sinay
Eds., Vol. 1-4, 2000 Wiley -VCH Verlag, Weinheim
- Carbohydrates as Organic Raw Materials, Frieder W. Lichtenthaler Ed.,
VCH Weinheim, 1991
- Introduction to Glycobiology, M. E. Taylor, K. Drickamer Eds., 2006
Oxford University Press
- Bioorganic Chemistry - Carbohydrates, S. M. Hecht, Ed., 1999 Oxford
University Press
- The Molecular and Supramolecular Chemistry of Carbohydrates, S.
David Ed., 1997 Oxford University Press
- Bioorganic Chemistry - Nucleic Acids, Sidney M. Hecht, Ed., 1996 Oxford
University Press
- Gli Oligonucleotidi Sintetici - Principi e applicazioni, CNR - Progetto
Strategico Nucleotidi Antisenso, UTET Periodici
- DNA Interactions with Polymers and Surfactants, R. S. Dias and B.
Lindman Eds, Wiley Interscience, 2008
- DNA and RNA Binders - From small molecules to drugs, M. Demeunynck,
C. Bailly and W. D. Wilson Eds., Wiley-VCH, 2003
- Articoli di review tratti dalla letteratura sui singoli argomenti

- J. Keeler "Understanding NMR Spectroscopy", 2nd Edition, Wiley, 2010.
Testi suggeriti:
- T. D. W. Claridge "High-Resolution NMR Techniques in Organic
Chemistry, 2nd edition, Tetrahedron Organic Chemistry, Vol. 27, Elsevier,
Amsterdam, 2009.
- N. E. Jacobsen "NMR Spectroscopy Explained: Simplified Theory,
Applications and Examples for Organic Chemistry and Structural Biology,
Wiley, 2007.

Metodi didattici

Lezioni frontali

Modalità verifica apprendimento

Esame orale con risoluzione di problemi relativi alla sintesi di saccaridi,
peptidi, acidi nucleici. Nel corso dell'esame vengono proposte agli studenti alcune molecole complesse come obiettivo di sintesi per valutare la loro capacità di impostare una corretta strategia sintetica basandosi sulle metodologie illustrate nel corso, con l'utilizzo di gruppi protettori e metodi di attivazione, valutando vantaggi e svantaggi di diverse metodologie e condizioni sperimentali, problemi eventuali che si possono porre e loro soluzione. Si verifica la loro capacita' di utilizzare un linguaggio scientifico adeguato e di rappresentare correttamente le strutture molecolari. La prova orale riguarderà domande sulle tematiche teoriche della prima parte del corso.
L'esame sarà anche costituito da una prova scritta in cui i candidati dovranno assegnare ad un composto organico di struttura nota le risonanze di diversi spettri 1D e 2D NMR.