Obiettivi formativi
L'insegnamento di Chimica e Propedeutica Biochimica ha l'obiettivo di consentire allo studente di conoscere e comprendere la correlazione tra la struttura elettronica dell’atomo e delle molecole, sia inorganiche che organiche e le loro proprietà chimiche. Particolare attenzione viene dedicata alle macromolecole di interesse biologico. Lo studente dovrà comprendere:
1) la struttura delle molecole
1) come reagiscono le molecole ed il ruolo fondamentale dell'acqua nel definirne la reattività.
2) le funzioni svolte dalle molecole che compongono la cellula, vista come unità elementare della materia vivente,
Lo studente dovrà acquisire le conoscenze e capacità di comprensione che consentano di collegare la nomenclatura chimica alla corrispondente formula delle sostanze, che gli consentano di descrivere le macromolecole di interesse biologico nonché il loro ruolo funzionale nella cellula. Dovrà sapere riconoscere i gruppi funzionali delle molecole responsabili della loro reattività. Dovrà acquisire una visione d'insieme dei meccanismi che regolano le trasformazioni delle molecole e del collegamento tra la loro trasformazione e l'associato consumo e/o produzione di energia. Dovrà capire l'interconnessione tra chimica e biologia.
Lo studente dovrà acquisire la capacità di selezionare ed applicare le conoscenze acquisite non solo a livello teorico ma anche nello svolgimento delle attività di tirocinio.
Prerequisiti
I prerequisiti consistono nelle conoscenze di chimica che sono necessarie per superare i test di ingresso al CLM in Medicina e Chirurgia.
Contenuti dell'insegnamento
Nella Prima parte verrà presentata una panoramica degli argomenti che saranno trattati nel Corso spiegando anche le motivazioni che giustificano la sequenza temporale con cui verranno presentati. Di seguito verranno discussi i principi che regolano il flusso di energia associato ad ogni reazione chimica ed il loro significato da un punto di vista biologico.
Nella Seconda parte si tratteranno argomenti che riguardano a) la struttura dell'atomo e le sue proprietà introducendo una serie di formalismi matematici e grafici utili per rappresentare atomi e molecole e per descrivere le reazioni chimiche; b) l'origine della struttura tridimensionale e della reattività delle molecole; c) I principi della cinetica chimica; d) le reazioni dei composti inorganici con particolare attenzione all'equilibrio acido-base.
Nella Terza parte si tratteranno le proprietà chimiche e strutturali dei composti organici. Si farà particolare attenzione ai gruppi funzionali presenti nelle biomolecole, alla loro reattività e alle loro proprietà fisiche. Si spiegherà
Nella Quarta parte infine si tratteranno le caratteristiche strutturali e funzionali delle principali macromolecole presenti in una cellula (carboidrati, proteine, lipidi ed acidi nucleici).
Programma esteso
CHIMICA GENERALE ED INORGANICA
Introduzione e struttura dell'atomo.
Materia e sue proprietà. Elementi e composti. Particelle atomiche. Numero atomico, numero di massa, isotopi. Peso atomico, peso molecolare, grammo-atomo, grammo-molecola (mole). Struttura dell'atomo; orbitali atomici e numeri quantici. Struttura elettronica degli elementi.
Periodicità delle proprietà degli elementi.
Tavola periodica degli elementi. Proprietà periodiche degli elementi: dimensioni atomiche, energia di ionizzazione, affinità elettronica, elettronegatività. Struttura elettronica e proprietà chimiche.
Il legame chimico. Legame ionico; legame covalente (puro, polare, dativo) e orbitali molecolari; orbitali ibridi; legame metallico. Interazioni intermolecolari: interazioni dipolo-dipolo, legame a idrogeno, forze di van der Waals.
Sistematica chimica. Idruri, idracidi, ossidi basici e ossidi acidi, perossidi, idrossidi, ossiacidi, sali neutri e sali acidi: reazioni di formazione, bilanciamento, nomenclatura, formule di struttura.
Cinetica chimica. Velocità di una reazione chimica e fattori che la influenzano: natura chimica dei reagenti, concentrazione (ordine di una reazione), temperatura e catalizzatori. Teoria delle collisioni molecolari e dello stato di transizione.
Equilibrio chimico. Concetto di equilibrio dinamico. Legge di azione delle masse e costante di equilibrio. Fattori che influenzano l'equilibrio: variazioni di concentrazione, temperatura, pressione. Principio di azione e reazione (principio di Le Chatelier).
Termodinamica chimica. Primo principio della termodinamica, concetto di entalpia. Secondo principio della termodinamica, concetto di entropia. Terzo principio della termodinamica. Energia libera applicata ad una reazione chimica: energia libera e spontaneità di una reazione, energia libera e costante di equilibrio.
Soluzioni. Modi di esprimere la concentrazione di una soluzione: percentuale p/p, p/v, v/v, molarità, molalità, normalità. Proprietà colligative delle soluzioni: innalzamento ebullioscopio, abbassamento crioscopico; osmosi, pressione osmotica (coefficiente di van't Hoff e osmolarità).
Acidi e basi: teoria di Arrhenius, teoria di Bronsted e Lowry, teoria di Lewis. Equilibri acido-base. La forza degli acidi e delle basi. Dissociazione ionica dell'acqua. Concetto di pH. Calcolo del pH delle soluzioni acquose di acidi e basi (forti e deboli). Proprietà acido-base dei sali: idrolisi. Soluzioni tampone e loro funzionamento; calcolo del pH delle soluzioni tampone. Titolazioni acido-base.
STECHIOMETRIA
La chimica attraverso gli esercizi. Calcoli stechiometrici. Rapporti ponderali nelle reazioni chimiche. Numero di ossidazione. Reazioni di ossido-riduzione e loro bilanciamento.
Esercizi sui modi di esprimere la concentrazione di una soluzione. Esercizi sul calcolo del pH di varie soluzioni acquose.
Esercizi sulla pressione osmotica.
CHIMICA ORGANICA
Introduzione. Orbitali ibridi del carbonio. Formule di struttura. Tipi di reazione: sostituzione, addizione, eliminazione. Reagenti elettrofili e nucleofili. Gruppi funzionali.
Idrocarburi. Classificazione. Alcani: nomenclatura, proprietà fisiche e reazioni caratteristiche. Isomeria conformazionale. Cicloalcani: struttura e nomenclatura. Alcheni e alchini: nomenclatura, proprietà fisiche e reazioni caratteristiche. Isomeria geometrica.
Benzene: concetto di risonanza, proprietà. Reattività del benzene e principali reazioni. Effetto orientante dei sostituenti nelle reazioni di sostituzione: effetto induttivo e mesomero.
Introduzione ai gruppi funzionali. Nomenclatura, reattività e proprietà fisiche. I gruppi funzionali nelle molecole biologiche. Isomeria. Isomeria strutturale e stereoisomeria. Concetti di simmetria e asimmetria molecolare. La chiralità e gli enantiomeri.
Alcoli, fenoli ed eteri. Struttura e classificazione. Proprietà fisiche e acidità. Preparazione degli alcoli. Reazioni caratteristiche: esterificazione (cenni ai fosfoesteri e fosfoanidridi), ossidazione, sostituzione nucleofila e disidratazione (meccanismo). Tioli: proprietà fisiche, acidità e reattivita
Il gruppo carbonile. Aldeidi e chetoni. Struttura. Proprietà fisiche. Tautomeria cheto-enolica, acidità H-alfa. Reazioni caratteristiche: ossidazione e riduzione, adizione nucleofila: di idruri, acqua, alcoli, ammine e condensazione aldolica (meccanismi: nucleofili medi e forti e nucleofili deboli).
Ammine. Struttura e classificazione. Ammine aromatiche ed eterocicliche. Ioni ammonio. Proprietà fisiche. Basicità delle ammine in funzione dei sostituenti. Nucleofilicità delle ammine.
Acidi carbossilici e derivati. Gruppo carbossilico. Struttura e nomenclatura. Proprietà fisiche. Proprietà acide e variazione dell'acidità in funzione dei sostituenti. Reazioni caratteristiche: riduzione, adizione-eliminazione (meccanismo e reattività ed interconversione dei derivati degli acidi carbossilici). Derivati degli acidi carbossilici. Proprietà fisiche. Esteri: meccanismo della esterificazione di Fisher e idrolisi acida. Reazione di idrolisi basica (saponificazione). Ammidi: struttura del legame ammidico.
PROPEDEUTICA BIOCHIMICA
Carboidrati. Nomenclatura e classificazione. Isomeria ottica dei carboidrati. Struttura, proprietà e funzioni dei principali carboidrati: monosaccaridi, disaccaridi e polisaccaridi.
Lipidi. Acidi grassi, trigliceridi, saponificazione. Fosfolipidi e cerebrosidi: struttura e proprietà. Membrane lipidiche: micelle, bilayers. Membrane biologiche: cenni sulla struttura e loro principali funzioni.
Amminoacidi e proteine. Gli amminoacidi naturali: struttura generale e classificazione. Proprietà acido-base degli amminoacidi; punto isoelettrico. Legame peptidico. Struttura primaria, secondaria, terziaria e quaternaria delle proteine. Principali funzioni delle proteine.
Basi azotate ed acidi nucleici. Basi puriniche e pirimidiniche. Nucleosidi e nucleotidi. Acidi nucleici (RNA e DNA) e loro struttura (cenni).
Bibliografia
K.J. Denniston, J.J.Topping and R.L. Caret
Italian Edition
McGraw-Hill 2011
Organic Chemistry
H. Hart, L.E. Craine, D.J. Hart, C.M. Hadad
6th Edition Zanichelli
Introduction to General, Organic and Biochemistry
F. A. Bettelheim, W.H. Brown, M.K. Campbell., S.O. Farrell
9th Engl. Ed.
Fondamenti di Chimica Generale e Organica.
McMurry, Ballantine, Hoeger, Peterson.
8va ed., Pearson.
Chimica Medica e Propedeutica Biochimica
Tiziana Bellini
2nd ed., Zannicheli
Metodi didattici
L'insegnamento verrà svolto nella forma di lezioni frontali durante le quali, dopo avere esposto alcuni concetti generali, si passerà a descrivere la loro applicazione sia in sistemi chimici modello che nell'ambito dei processi vitali di una cellula.
Il corso sarà svolto sia in presenza (in aula) che in telepresenza (in sincrono-streaming) mediante il supporto della piattaforma Teams. In tal modo verrà preservata la possibilità di interagire in tempo reale con il Docente, sia in presenza che a distanza.
Le lezioni si svolgeranno con ausilio di materiale iconografico raccolto in presentazioni che saranno messe a disposizione degli studenti sulla piattaforma Elly (https://elly2020.medicina.unipr.it/).
Modalità verifica apprendimento
L'accertamento del raggiungimento degli obiettivi previsti dall'Insegnamento prevede un test alla fine del Corso sotto forma di prova scritta sull'intero programma.
La prova mira ad accertare se lo studente ha raggiunto l'obiettivo di acquisire una buona conoscenza e comprensione d'insieme dei principi chimici che stanno alla base dei processi vitali e se è in grado di applicarli per risolvere i quesiti posti.
Come previsto dalla legge e dal regolamento didattico di Ateneo, non è possibile svolgere l'esame in più parti ed acquisire crediti per una o più parti del programma.
Gli Studenti con DSA/BSE devono preventivamente contattare il Centro Accoglienza e Inclusione (CAI): https://cai.unipr.it/
