CHIMICA

LAUREA MAGISTRALE

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

Crediti: 
12
Sede: 
PARMA
Anno accademico di offerta: 
2020/2021
Responsabile della didattica: 
Semestre dell'insegnamento: 
Secondo Semestre
Lingua di insegnamento: 

Italiano

L'insegnamento è suddiviso nei seguenti moduli didattici: 

Obiettivi formativi

CHIMICA ORGANICA DELLE BIOMOLECOLE
Al termine del corso lo studente deve:

- conoscere e comprendere la reattività e le correlazioni tra struttura e proprietà di composti organici con valenza biologica come i carboidrati, gli amminoacidi, gli acidi nucleici, i lipidi, loro mimici; conoscere e comprendere metodi per la loro modifica chimica; conoscere correttamente la struttura delle molecole oggetto del corso e i meccanismi attraverso i quali evolvono le trasformazioni di cui sono oggetto (Conoscenza e capacità di comprensione).

- Sapere utilizzare le conoscenze teoriche acquisite per proporre strategie di sintesi adatte all'ottenimento di molecole complesse, prevedendone proprietà e prospettando alcune delle possibili applicazioni in vari settori della scienza; saper pianificare strategie di sintesi conoscendo potenzialità, limiti e difficoltà correlati ai composti in esame; saper reperire e sfruttare le fonti bibliografiche utili a raggiungere questi scopi; saper rappresentare correttamente strutture molecolari e meccanismi di reazione (Capacità di applicare conoscenza e comprensione).

- Essere in grado di: giudicare problematiche di progettazione, sintesi e applicazione delle classi di molecole sopra riportate; comprendere e interpretare criticamente la letteratura ad essi inerente; fare riflessioni su questioni scientifiche ed etiche rilevanti sull’utilizzo e l’applicazione di queste classi di composti in contesti tecnologici, medici e biologici (Autonomia di giudizio).

- Sapere utilizzare correttamente la rappresentazione strutturale dei composti chimici; sapere descrivere con linguaggio e rigore scientifico le reazioni e strategie proposte; sapere dialogare con persone con formazione scientifica di aree diverse quali la biologia, la biochimica, la biotecnologia avendo appreso il significato del ruolo di queste classi di molecole in quei contesti scientifici (Abilità comunicative).

METODI FISICI IN CHIMICA ORGANICA E LABORATORIO
Alla fine del corso lo studente sarà in grado di:

• identificare autonomamente la struttura di un composto organico mediante l’interpretazione di una serie di spettri 1D e 2D NMR; utilizzare la strumentazione scientifica, di elaborare i dati sperimentali, di pianificare ed eseguire l'analisi e la caratterizzazione di campioni reali; avvalersi di metodi computazionali per l'elaborazione dei dati; pianificare e condurre a termine una sperimentazione attraverso attività individuale e/o di gruppo.

• valutare criticamente le proprie conoscenze e capacità ed i propri risultati; interpretare osservazioni, raccogliere ed interpretare dati dalla misurazione in laboratorio; programmare attività sperimentale valutandone tempi e modalità; dimostrare capacità autonoma di giudizio nel valutare e quantificare i risultati sperimentali; valutare criticamente i parametri di qualità di tecniche analitiche alternative in funzione della natura del problema sperimentale; valutare le possibilità e i limiti di tecniche analitiche e di caratterizzazione più avanzate affrontando e risolvendo problemi complessi ad esse legati.

• sostenere un contraddittorio sulla base di un giudizio sviluppato autonomamente su problematiche inerenti ai propri studi; interagire con altre persone e lavorare in gruppo anche su progetti multidisciplinari.

• apprendere in modo autonomo nuove tematiche scientifiche o problematiche professionali; studiare autonomamente soluzioni a problemi complessi anche interdisciplinari, reperendo le informazioni utili per formulare risposte e sapendo difendere le proprie proposte in contesti specialistici e non.

Prerequisiti

Chimica Organica 1 e 2

Contenuti dell'insegnamento

CHIMICA ORGANICA DELLE BIOMOLECOLE
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, proprietà e sintesi.
Utilizzo come materia prima per preparazione di prodotti chimici.
Interazioni non covalenti con specie molecolari e macromolecolari.
Applicazioni.

METODI FISICI IN CHIMICA ORGANICA E LABORATORIO
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 un moderno spettrometro NMR.
Interpretazione di spettri 1D e 2D NMR e determinazione della struttura di un composto organico.
Laboratorio: impiego dello spettrometro NMR e registrazione di alcuni spettri 1D (1H e 13C) e 2D (COSY e HSQC) NMR di composti organici.

Programma esteso

CHIMICA ORGANICA DELLE BIOMOLECOLE
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.

METODI FISICI IN CHIMICA ORGANICA E LABORATORIO
• 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.
• Livelli energetici e spettri NMR. Spettro per uno spin. Livelli energetici per due spin accoppiati. Spettro NMR per due spin accoppiati.
• 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. Spettroscopia 2D NMR eterocorrelata HMQC, HSQC e HMBC: sequenze di impulsi ed interpretazione degli spettri. Spettroscopia di correlazione TOCSY: sequenza di impulsi ed interpretazione dello spettro.
• 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.
• 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

CHIMICA ORGANICA DELLE BIOMOLECOLE
Dispense del docente, articoli di rassegna tratti dalla letteratura sui singoli argomenti, esempi di esercizi e casi oggetto dell'esame. Questi materiali sono pubblicati dall'inizio del corso sulla piattaforma Elly. Costituiscono il supporto principale per la preparazione dell'esame.

Testi di approfondimento:

Per la parte sui peptidi:
- Peptidi e Peptidomimetici, V. Santagada, G. Caliendo, Piccin Nuova Libraria, 2003

Per la parte sui carboidrati:
- 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
- Carbohydrate Chemistry: State of the Art and Challenges for Drug Development. An Overview on Structure, Biological Roles, Synthetic Methods and Application as Therapeutics, Ed. Laura Cipolla, Imperial College Press, 2015.
- The Molecular and Supramolecular Chemistry of Carbohydrates, S. David Ed., 1997 Oxford University Press

Per la parte sugli acidi nucleici:
- 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

METODI FISICI IN CHIMICA ORGANICA E LABORATORIO
Dispense del docente, esempi di esercizi e casi oggetto dell'esame. Questi materiali sono pubblicati dall'inizio del corso sulla piattaforma Elly. Costituiscono il supporto principale per la preparazione dell'esame.

Testi di base:
• Harald Gunther - NMR Spectroscopy, Basic Principles, Concepts, and Apllication in Chemistry, 3rd edition, Wiley - VCH, 2013.
• Oliver Zerbe & Simon Jurt - Applied NMR Spectroscopy for Chemists and Life Scientists, Wiley-VCH, 2014

Testi suggeriti per la parte teorica:
• James Keller "Understanding NMR Spectroscopy", 2nd Edition, Wiley, 2010.
• Neil E. Jacobsen - NMR Data Interpretation explained, Wiley, 2016
• Antonio Randazzo - Guida pratica alla interpretazione di spettri NMR, Loghia, 2017

Testi suggeriti per il laboratorio:
• John S. Harwood & Huaping Mo - Practical NMR Spectroscopy Laboratory Guide: Using Bruker Spectrometers, Academic Press, 2015
• Matthias Findeisen & Stefan Berger - 50 and More Essential NMR Experiments: A Detailed Guide, Wiley-VCH, 2013

Metodi didattici

CHIMICA ORGANICA DELLE BIOMOLECOLE
Lezioni frontali e risoluzione di problemi relativi all'identificazione e sintesi di derivati delle classi di composti illustrate. La risoluzione dei problemi viene fatta in forma interattiva con il contributo e la partecipazione degli studenti.
All'inizio di ogni sezione del corso, si analizzano le proprietà chimiche di base della specifica classe di composti con il contributo diretto degli studenti facendo ricorso alle loro pregresse conoscenze di chimica organica. Questa procedura è utile per far emergere le conoscenze di chimica organica che gli studenti hanno all'inizio del corso e permettere al docente di colmare eventuali lacune.

METODI FISICI IN CHIMICA ORGANICA E LABORATORIO
Il corso impiegherà lezioni frontali di 1 o 2 ore distribuite su tre giorni per settimana. L'esercitazione pratica di laboratorio si articolerà in 4 turni di 2 ore ciascuno.

Modalità verifica apprendimento

Previo accordo con i docenti, una volta concluso il corso, la verifica dell'apprendimento dei singoli moduli può essere effettuata anche separatamente sotto forma di una prova parziale per ciascun modulo. Queste possono essere sostenute anche in date diverse. Il voto finale sarà assegnato allo studente come media delle votazioni conseguite nelle singole prove parziali.

CHIMICA ORGANICA DELLE BIOMOLECOLE
Esame orale basato sulla risoluzione e discussione di problemi relativi alla sintesi e reattività di lipidi, saccaridi, peptidi, acidi nucleici, loro mimici.
Viene fatta una verifica dell'apprendimento delle strategie di modifica di amminoacidi, carboidrati e nucleotidi, e di sintesi di peptidi, oligosaccaridi, oligonucleotidi; di alcune delle possibili applicazioni di queste classi di molecole in vari ambiti scientifici a seguito delle loro interazioni con substrati di rilevanza biologica, e grazie alle loro capacità di autoassemblaggio.
Nel corso dell’esame vengono poste domande su ognuna delle quattro sezioni del corso, lipidi, carboidrati, amminoacidi e peptidi, acidi nucleici. Allo studente viene data la possibilità di cominciare l’esame con un argomento a scelta. Nello specifico vengono proposte allo studente alcune molecole complesse, in genere tratte da casi di studio e ricerca presenti in letteratura, di cui deve descrivere le principali proprietà e che vengono poste come obiettivo di sintesi. Si valuta così la 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 capacità dello studente di utilizzare un linguaggio scientifico adeguato e di rappresentare correttamente le strutture molecolari e i meccanismi delle reazioni coinvolte.
La dimostrazione di una conoscenza di base dei contenuti del corso, che includa le proprietà principali dei composti in esame e della loro reattività, determina una valutazione dell’esame pari a 18-21/30; se alcune delle risposte sono caratterizzate da una descrizione puntuale delle reazioni e delle molecole implicate si determina un punteggio pari a 21-24/30; risposte di questo tipo per tutte le domande poste determinano un punteggio pari a 24-27/30. Una discussione approfondita degli argomenti, che evidenzi anche la capacità di porsi di fronte a problemi nuovi, insieme con l’individuazione di possibili problematiche e applicazioni dei composti in esame determina un voto pari a 27-30/30. Risposte del tutto esaurienti e approfondite fornite avendo fatto uso di un linguaggio e di una rappresentazione rigorosa di molecole e meccanismi del tutto appropriati determinano la valutazione con lode.

METODI FISICI IN CHIMICA ORGANICA E LABORATORIO
L'esame sarà costituito da una prova scritta e da una prova orale. Nella prova scritta i candidati dovranno assegnare ad un composto organico di struttura nota le risonanze di diversi spettri 1D e 2D NMR (MAX. 21/30). La prova orale riguarderà domande sulle tematiche teoriche della prima parte del corso (MAX. 9/30).
La dimostrazione di una conoscenza di base dei contenuti del corso, che includa la capacità di assegnare le risonanze di spettri 1D e 2D NMR alla struttura di un composto organico, determina una valutazione dell’esame pari a 18-21/30. Una descrizione puntuale degli aspetti strumentali e sperimentali della tecnica NMR determina un punteggio pari a 21-24/30. Una discussione esauriente ed approfondita degli aspetti teorici della tecnica NMR con risposte fornite facendo uso di un linguaggio appropriato determina un voto pari a 27-30/30. La capacità del candidato di porsi di fronte a problemi nuovi insieme con l’individuazione di possibili problematiche e applicazioni determina l'assegnazione di una valutazione con lode.