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Syllabus

Partially translatedTradotto parzialmente
[3S038] - BIOLOGIA MOLECOLAREMOLECULAR BIOLOGY [Cognomi A-L]
Anna LA TEANA
Lingua di erogazione: ITALIANOLessons taught in: ITALIAN
Laurea - [ST01] SCIENZE BIOLOGICHE First Cycle Degree (3 years) - [ST01] BIOLOGICAL SCIENCES
Dipartimento: [040017] Dipartimento Scienze della Vita e dell'AmbienteDepartment: [040017] Dipartimento Scienze della Vita e dell'Ambiente
Anno di corsoDegree programme year : 3 - Primo Semestre
Anno offertaAcademic year: 2020-2021
Anno regolamentoAnno regolamento: 2018-2019
Obbligatorio
Crediti: 8
Ore di lezioneTeaching hours: 64
TipologiaType: B - Caratterizzante
Settore disciplinareAcademic discipline: BIO/11 - BIOLOGIA MOLECOLARE

LINGUA INSEGNAMENTO LANGUAGE

ITALIANO

ITALIAN


PREREQUISITI PREREQUISITES

E' richiesta la conoscenza delle seguenti discipline: Chimica Generale ed Inorganica, Citologia e Istologia, Chimica Organica, Chimica Biologica.

Knowledge of basic General Chemistry, Cytology, Organic Chemistry and Biological Chemistry is required.


MODALITÀ DI SVOLGIMENTO DEL CORSO DEVELOPMENT OF THE COURSE

Sono previste lezioni frontali in aula (7 CFU, 56 ore) ed esercitazioni pratiche in laboratorio (1 CFU, 8 ore). Il materiale didattico comprendente le diapositive delle lezioni in formato pdf, le istruzioni e i protocolli delle esercitazioni di laboratorio, le schede di prenotazione per le esercitazioni di laboratorio, vengono caricati sulla piattaforma web learn.univpm.it.

The course is organized in lectures (7 CFU, 56 hours) and laboratories (1 CFU, 8 hours). Handouts of the lectures, protocols for the laboratories and booking forms for the laboratories are loaded on the web platform learn.univpm.it.


RISULTATI DI APPRENDIMENTO ATTESI LEARNING OUTCOMES



Conoscenze e comprensione.

L’insegnamento permette di acquisire le conoscenze relative alla struttura e alla funzione degli acidi nucleici e delle proteine che con essi interagiscono, ai meccanismi molecolari alla base dei processi di duplicazione del DNA, trascrizione e maturazione dei diversi tipi di RNA, traduzione e regolazione dell’espressione genica, anche attraverso la comprensione delle procedure sperimentali che hanno portato alle attuali conoscenze.


Capacità di applicare conoscenze e comprensione.

Lo studente sarà in grado di applicare le conoscenze acquisite allo studio di altre materie quali la Genetica, la Biologia dello Sviluppo, la Biologia Cellulare per le quali è necessario conoscere i meccanismi di funzionamento e di regolazione dell’espressione del materiale genetico. Sarà in grado, inoltre, di applicare alcune tecniche di base di manipolazione e analisi degli acidi nucleici, di ricercare sequenze di acidi nucleici e proteine in database presenti nel web, nonché di utilizzare specifici software per l’analisi di restrizione e la mutagenesi sito-diretta di frammenti di DNA.


Competenze trasversali.

Le esercitazioni di laboratorio, nonché le discussioni sulle attività pratiche eseguite e sui risultati conseguiti contribuiranno a migliorare il grado di autonomia dello studente, la sua capacità di valutare criticamente dati scientifici e la capacità comunicativa. Inoltre, l’esecuzione delle suddette esercitazioni in piccoli gruppi promuoverà le interazioni e le attività di coordinamento.




Knowledge and Understanding.

Students will learn about the structure-function relationship of nucleic acids and of nucleic acids interacting proteins, the molecular mechanisms of DNA duplication, RNA transcription and maturation, translation and regulation of gene expression. The course will also provide a description of the different experimental procedures, which have led to current knowledge.


Capacity to apply Knowledge and Understanding.

Students will be able to apply the acquired knowledge about the working principles of genetic material to other topics such as Genetics, Developmental Biology and Cell Biology. Furthermore, they will be able to apply some basic DNA manipulation and analysis techniques; they will be able to search nucleic acid and protein sequences in databases and to use software specific for restriction analysis and site-directed mutagenesis of DNA fragments.


Transversal Skills.

The laboratory experience together with the discussions on the experimental results will improve students’ autonomy and ability to evaluate critically scientific data, as well as their communication abilities. Furthermore, the organization of the laboratories in small groups will facilitate interaction and coordination.



PROGRAMMA PROGRAM

Lezioni frontali (7 CFU, 56 ore):
Gli acidi nucleici come materiale genetico. Struttura e proprietà chimico-fisiche. Topologia del DNA. Organizzazione strutturale di genomi virali, procariotici ed eucariotici. Cromosomi, cromatina, nucleosomi.
Struttura, funzione e proprietà chimico-fisiche degli aminoacidi. Struttura e funzione delle proteine. Domini strutturali e funzionali. Interazione proteina-proteina. IC50 e costante di affinità. Interazione proteina-acidi nucleici. Struttura dei domini leganti DNA e RNA. Interazione proteina-ligando e diversi modelli esemplificativi. Tasche e superfici di legame.
Approcci bioinformatici per lo studio sia delle sequenze nucleiche che delle sequenze proteiche. Allineamenti di sequenze. Matrici di sostituzione. Modellazione per omologia
La replicazione del DNA. Esperimento di Meselson e Stahl. Formazione delle forche di replicazione. Sintesi semidiscontinua del DNA. Sintesi coordinata del filamento guida e del filamento copia. Le DNA Polimerasi procariotiche ed eucariotiche. Le origini di replicazione. Regolazione dell’inizio della replicazione nei procarioti e negli eucarioti. Replicazione e ciclo cellulare nei procarioti e negli eucarioti.
Organizzazione dei geni procariotici ed eucariotici.
La trascrizione. Le diverse classi di RNA: RNA messaggero, RNA transfer, RNA ribosomale, piccoli RNA nucleari, piccoli RNA nucleolari.
Trascrizione dei geni procariotici. Inizio della trascrizione: promotori e RNA Polimerasi. Inizio e terminazione.
Trascrizione dei geni eucariotici. Inizio della trascrizione: promotori e sequenze consenso. RNA Polimerasi I, II e III. Fattori di trascrizione dell’apparato basale. Enhancers e silencers. Terminazione della trascrizione.
La maturazione dell’RNA. Maturazione di RNA ribosomali e transfer. Maturazione di RNA messaggeri. Reazioni di capping e di poliadenilazione. Splicing nucleare: spliceosoma, snRNA e snRNP. Splicing alternativo. Auto-splicing: introni di tipo I e II. Editing.
La traduzione. Il tRNA come adattatore: struttura secondaria e terziaria. Le basi modificate. Il codice genetico. Le aminoacil-tRNA sintetasi e le regole d’identità.
L’organizzazione del ribosoma. Le fasi della sintesi proteica. I fattori d’inizio, di allungamento e di terminazione procariotici ed eucariotici. Il ruolo dell’RNA ribosomale nella sintesi proteica. Antibiotici e sintesi proteica.
Regolazione dell’espressione genica nei procarioti. L’operone. Geni strutturali e geni regolatori. Induzione e Repressione: l’operone lac, l’operone trp. La repressione da cataboliti. L’attenuazione. Esempi di meccanismi di regolazione a livello post-trascrizionale.
Regolazione dell’espressione genica negli eucarioti. Elementi di risposta. Dominî proteici che legano il DNA. Vari modelli per l’attivazione genica. Espressione genica e metilazione. Struttura della cromatina e trascrizione.
Tecniche
Metodi di studio del DNA: digestione con enzimi di restrizione, vettori, clonaggio, sequenziamento del DNA, reazione a catena della polimerasi (PCR), Southern blotting, mutagenesi sito-diretta. Analisi di promotori: "footprinting" e "band-shift", geni reporter, analisi di mutazioni. Analisi di trascritti: Northern blotting, RT-PCR. Purificazione di RNA messaggeri mediante cromatografia di affinità su oligo-dT cellulosa e costruzione di librerie di cDNA. Analisi di proteine: Elettroforesi su PAGE-SDS. Western blot.

Esercitazioni in laboratorio (1 CFU, 8 ore):
Gli studenti eseguiranno le seguenti attività: Estrazione di DNA plasmidico da cellule batteriche; purificazione del DNA plasmidico mediante cromatografia di affinità; determinazione della concentrazione del DNA plasmidico purificato mediante analisi spettrofotometrica; digestione del plasmide con enzimi di restrizione; separazione dei frammenti di DNA mediante elettroforesi su gel di agarosio; analisi dei risultati. Consultazione dei database di sequenze nucleotidiche e amminoacidiche presenti nel portale NCBI. Identificazione della sequenza codificante un gene strutturale. Allineamento di sequenze mediante BLAST. Visualizzazione delle strutture delle macromolecole biologiche (DNA, RNA e proteine) contenute all’interno del PDB.


Lectures (7 CFU, 56 hours):
Nucleic acids. Structure and chemical-physical properties. Nucleic acids as genetic material. DNA topology. Structural organization of viral, prokaryotic and eukaryotic genomes. Chromosomes, chromatin, nucleosomes.
Structure, function and chemical-physical properties of amino acids. Proteins. Structure and function. Structural and functional domains. Protein-protein interaction. IC50 and affinity constant. Protein-nucleic acid interaction. DNA and RNA binding domains. Protein-ligand interaction, the different models, binding pockets and binding surfaces.
Bioinformatic approaches for nucleic acids and proteins sequences analysis. Sequences alignments. Substitution matrices. Homology modelling.
DNA replication. The Meselson and Sthal experiment. The replication fork and the semidiscontinuous synthesis of DNA. Coordinated synthesis of the leader and lagging strands. DNA polymerases in prokaryotes and eukaryotes. Replication origins. Regulation of replication initiation in prokaryotes and eukaryotes. Replication and cell cycle.
Gene organization in virus, prokaryotes and eukaryotes.
Transcription. Different types of RNA: messenger RNA, transfer RNA, ribosomal RNA, small nuclear RNA, small nucleolar RNA.
Transcription of prokaryotic genes. RNA polymerase and promoters. Initiation and termination.
Transcription of eukaryotic genes. Initiation, RNA polymerases I, II and III, promoters and consensus sequences. Transcription factors. Enhancers and silencers. Termination.
RNA processing. Processing of rRNA and tRNA. mRNA maturation: capping and polyadenylation. Splicing: spliceosome and snRNP. Alternative splicing. Self-splicing: type I and type II introns. Editing.
mRNA translation. tRNA as an adaptor: secondary and tertiary structure. Modified bases. The genetic code. The aminoacyl-tRNA synthetases and the identity rules.
The ribosome. The different steps of protein synthesis. Initiation, elongation and termination factors in prokaryotes and eukaryotes. The role of rRNA in protein synthesis. Antibiotic and protein synthesis.
Regulation of gene expression in prokaryotes. The operon. Structural genes and regulator genes. Induction and repression: the lac, trp, examples. Catabolite repression. Attenuation. Examples of regulation at the post-transcriptional level.
Regulation of gene expression in eukaryotes. Response elements and DNA binding protein domains. Different models for gene activation. DNA methylation and gene expression. Chromatin structure and transcription.
Experimental procedures
DNA analysis: digestion with restriction enzymes, restriction mapping, cloning vectors, DNA sequencing, PCR, Southern blotting, site-directed mutagenesis. Promoters analysis: footprinting and band-shift, reporter genes, mutations analysis. Transcripts analysis: northern blotting, RT-PCR. mRNA purification by oligo-dT and cDNA libraries construction. Protein analysis: PAGE-SDS electrophoresis. Western blot.

Laboratories (1 CFU, 8 hours):
Students will perform: extraction of plasmid DNA from bacteria, purification of the plasmid by affinity chromatography and determination of its concentration by spectrophotometric analysis; restriction enzymes digestion and analysis of the fragments by agarose gel electrophoresis; data analysis. Search for nucleic acid and protein sequences in the NCBI database, identification of a gene coding sequence, in silico restriction mapping and site-directed mutagenesis, sequence alignment using BLAST. Visualization of 3D structures of DNA, RNA and proteins molecules present in PDB.



MODALITÀ DI SVOLGIMENTO DELL'ESAME DEVELOPMENT OF THE EXAMINATION



Modalità di valutazione dell'apprendimento.

Il livello di apprendimento è valutato attraverso una prova orale durante la quale vengono poste allo studente tre domande.


Criteri di valutazione dell'apprendimento.

Le domande sono volte ad accertare la conoscenza e la comprensione da parte dello studente degli argomenti trattati durante le lezioni frontali e durante le esercitazioni di laboratorio.


Criteri di misurazione dell'apprendimento.

Il voto finale è attribuito in trentesimi. L’esame si intende superato quando il voto finale è uguale o maggiore a 18. È possibile l’assegnazione del massimo dei voti con lode (30 e lode).


Criteri di attribuzione del voto finale.

Ogni risposta viene valutata con un punteggio compreso tra zero e dieci. Il risultato è calcolato come somma dei punteggi ottenuti alle singole domande. La lode può essere attribuita quando il punteggio ottenuto dalla precedente somma raggiunga il valore di 30 e contemporaneamente lo studente abbia dimostrato piena padronanza della materia e un’ottima capacità di esposizione.




Learning Evaluation Methods.

Evaluation is performed through an oral exam during which students will be asked to discuss about 3 different topics.


Learning Evaluation Criteria.

Questions aim at verifying the level of knowledge acquired by the students. They span the entire program: topics discussed during the lectures as well as topics subject of the laboratories.


Learning Measurement Criteria.

The level of knowledge acquired by the students is measured with a mark between 0 and 30. In order to pass the exam the final mark must be between 18 and 30. The highest possible mark is 30/30 cum laude.


Final Mark Allocation Criteria.

The answer to each question is evaluated with a mark included between 0 and 10. The final mark is calculated as the sum of the 3 answers. 30/30 cum laude is attributed to students particularly able to discuss critically and with great competence about the different topics.



TESTI CONSIGLIATI RECOMMENDED READING

Biologia Molecolare. F. Amaldi, P. Benedetti, G. Pesole, P. Plevani. Casa Editrice Ambrosiana. III edizione. 2018.
Biologia molecolare del gene. J.D. Watson, T.A. Baker, S.P. Bell, A. Gann, M. Levine, R. Losick. Casa Editrice Zanichelli. VII edizione. 2015.

Biologia Molecolare. F. Amaldi, P. Benedetti, G. Pesole, P. Plevani. Casa Editrice Ambrosiana. III edition. 2018.
Biologia molecolare del gene. J.D. Watson, T.A. Baker, S.P. Bell, A. Gann, M. Levine, R. Losick. Casa Editrice Zanichelli. VII edition. 2015.


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Scheda insegnamento erogato nell’A.A. 2020-2021
Le informazioni contenute nella presente scheda assumono carattere definitivo solo a partire dall'A.A. di effettiva erogazione dell'insegnamento.
Academic year 2020-2021

 


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