ITALIANO

Gruppi funzionali, meccanismi e aspetti stereochimici delle molecole organiche. Biomolecole: carboidrati, lipidi, amminoacidi, acidi nucleici Meccanismi molecolari della biosintesi e metabolismo di lipidi, terpeni, carboidrati ed amminoacidi. Sostanze naturali con rilevanti applicazioni in ambito farmacologico e industriale

-Appunti delle Lezioni -Qualsiasi testo universitario di Chimica Organica -Dewick “Chimica, biosintesi e bioattività delle sostanze naturali” Ed. Piccin -M. Hesse - H. Meier - B. Zeeh- Metodi spettroscopici in chimica organica- Ed. EdiSES Sternhell – Kalman “Organic Structures from Spectra

**Conoscenza e Comprensione**
Al termine del corso, lo studente acquisirà una solida conoscenza dei principi chimico-fisici e dei meccanismi molecolari che regolano le interazioni e le reazioni nei sistemi biologici. Comprenderà i meccanismi enzimatici coinvolti nei processi catabolici e biosintetici di molecole di interesse biologico, farmaceutico e industriale. Inoltre, lo studente acquisirà conoscenze teoriche e pratiche delle principali tecniche spettroscopiche utilizzate in chimica bioorganica (IR, UV, NMR) per la caratterizzazione strutturale delle biomolecole.

**Capacità di Applicare Conoscenza e Comprensione**
Lo studente sarà in grado di applicare le conoscenze acquisite per analizzare e interpretare i meccanismi di reazione nei sistemi biologici e per comprendere il funzionamento degli enzimi in contesti complessi. Saprà utilizzare i principi delle tecniche spettroscopiche per l’analisi strutturale delle biomolecole e sarà in grado di risolvere problemi relativi alla determinazione strutturale e alla trasformazione di composti bioorganici.

**Autonomia di Giudizio**
Lo studente svilupperà la capacità di valutare criticamente dati sperimentali e modelli teorici relativi ai sistemi bioorganici. Sarà in grado di formulare ipotesi sui meccanismi di reazione e di valutare l’affidabilità dei risultati ottenuti mediante tecniche spettroscopiche, tenendo conto dei limiti metodologici e delle possibili fonti di errore.

**Abilità Comunicative**
Lo studente acquisirà la capacità di comunicare in modo chiaro e rigoroso concetti e risultati della chimica bioorganica, utilizzando un linguaggio scientifico appropriato. Sarà in grado di presentare e discutere meccanismi di reazione, dati spettroscopici e modelli molecolari sia in forma scritta che orale, interagendo efficacemente con interlocutori specialisti e non specialisti.

**Capacità di Apprendimento**
Lo studente svilupperà competenze di apprendimento autonomo che gli consentiranno di approfondire e aggiornare continuamente le proprie conoscenze nel campo della chimica bioorganica. Sarà in grado di consultare criticamente la letteratura scientifica, affrontare tematiche avanzate e applicare le competenze acquisite in contesti di ricerca o professionali nell’ambito biologico, farmaceutico e biotecnologico.

Buone conoscenze della struttura e della reattività dei composti organici monofunzionali

Il corso è articolato in 56 ore di lezioni frontali svolte dal docente in cui verrà esposta la teoria e verrà applicata a molteplici processi biosintetici. Per quanto riguarda la parte del programma inerente le tecniche spettroscopiche in chimica Bioorganica, sono previste esercitazioni numeriche in aula e risoluzione di esercizi condotte con la supervisione del docente . Lo svolgimento di esercizi a casa è sottoposto a chiarimenti e a correzioni da parte del docente negli orari di ricevimento. Nel suo lavoro personale lo studente dovrà assimilare conoscenze e concetti alla base della chimica bioorganica relativamente a : 1) conoscenza della struttura e funzione delle principali classi di composti bioorganici; 2) comprensione dei processi catabolici ed anabolici per la degradazione o biosintesi dei composti bioorganici3) comprensione delle tecniche spettroscopiche (IR, UV, NMR) e loro impiego nella catarezizzazioen strutturale delle biomolecole.

Il raggiungimento degli obiettivi dell’insegnamento è certificato mediante il superamento di un esame con valutazione espressa in trentesimi. L’esame finale si svolge in forma orale ed è finalizzato a valutare la capacità dello studente di ragionare in modo critico e di collegare tra loro i diversi argomenti trattati nel corso. In particolare, l’esame verterà sugli aspetti meccanicistici della biosintesi e del metabolismo delle molecole bioorganiche, sulle molecole di origine naturale biologicamente attive e sui principi teorici della spettroscopia. Durante il corso saranno inoltre effettuate verifiche periodiche scritte, composte da domande a scelta multipla e a risposta aperta. Il superamento di tali prove consentirà allo studente di essere esonerato dall’esame orale sugli argomenti oggetto delle verifiche periodiche. <18 Non superato: lo studente non dimostra risultati coerenti con i descrittori di conoscenza e comprensione, applicazione, giudizio, comunicazione e capacità di apprendere.
18-21 Livello sufficiente: lo studente raggiunge i descrittori di base relativi alla conoscenza e comprensione dei contenuti fondamentali e mostra una prima capacità di applicazione in contesti semplici.
22-24 Livello pienamente sufficiente: lo studente soddisfa i descrittori di conoscenza e comprensione applicate, mostrando capacità di applicare concetti chiave correttamente e iniziare ad analizzare criticamente situazioni pertinenti ai temi dell’insegnamento.
25-26 Livello buono: lo studente dimostra autonomia di giudizio nel valutare e confrontare scenari pertinenti, applica conoscenze in modo efficace e comunica risultati con chiarezza, riflettendo competenze più consolidate.
27-29 Livello molto buono: lo studente soddisfa in modo avanzato i descrittori dei cinque ambiti, con padronanza dei contenuti, capacità di valutare criticamente casi complessi e abilità comunicative solide, evidenziate in elaborati e presentazioni.
30 Livello eccellente: lo studente eccelle in tutti i descrittori di Dublino, con conoscenza approfondita, applicazione sicura e critica, giudizio autonomo, comunicazione efficace e capacità di apprendere in modo continuo e creativo, producendo lavori di elevata qualità sia nella presentazione sia nelle prove scritte/orali. La lode può essere attribuita quando lo studente dimostra, oltre a quanto sopra, particolare originalità, approfondimento e innovazione nell’elaborato e nella presentazione, superando le aspettative standard.

La frequenza è fortemente consigliata. Lo studente potrà avvalersi del materiale didattico (dispense, esercizi, ecc) e sul blog "chimica organica -DISTABIF (http://chimorg-sun.blogspot.com/). Il docente è disponibile per ricevimento studenti nei giorni indicati nella scheda dell’insegnamento e, su richiesta, anche in altri momenti concordabili via email.

Nozioni propedeutiche allo studio della chimica bio‑organica Gruppi funzionali in chimica Bioorganica. Acidi e basi, elettrofili e nucleofili Richiami ai principali meccanismi di reazione in chimica Bioorganica: sostituzione, condensazione, eliminazione ed addizione. Aspetti termodinamici e cinetici delle reazioni. Struttura e reattività degli intermedi organici: carbocationi, radicali e carbanioni. Chiralità di biomolecole e prochiralità. Sezione A Caratteristiche strutturali dei composti bioorganici Lipidi. Acidi grassi: struttura e nomenclatura. Lipidi idrolizzabili: trigliceridi, fosfolipidi, sfingolipidi e cere. Steroidi. Carboidrati Classificazione, nomenclatura e stereochimica. Monosaccaridi: strutture cicliche, effetto anomerico. Desossizuccheri. Amminozuccheri. Esteri fosforici. N-glicosidi e C-glicosidi. Disaccaridi: cellobiosio, maltosio, lattosio, saccarosio. Oligosaccaridi dei gruppi sanguigni. Omopolisaccaridi ed eteropolisaccaridi: amido, cellulosa, chitina, pectine, glicogeno, destrani, glicosamminoglicani, peptidoglicani. Amminoacidi e Peptidi. Stereochimica e proprietà acido-basiche. Curve di titolazione di amminoacidi acidi e basici. Struttura e reattività di amminoacidi e peptidi bioattivi. Sezione B: Trasformazioni biologiche dei composti Bioorganici La chimica organica dei coenzimi vitaminici: vitamina B3 e coenzimi nucleotidici piridinici, vitamina B2 e coenzimi flavin adenin dinluleotidici, vitamina B5 e coenzima A, vitamina B7 e biotina, vitamina B6 e PLP. La catalisi nelle reazioni organiche e nelle reazioni enzimatiche: catalisi acido e basica generale e specifica, catalisi nucleofila e catalisi con ioni metallici. Catalisi enzimatica e classificazione degli enzimi: ossidoreduttasi, trasferasi, idrolasi, liasi, isomerasi, sintetasi. Metabolismo dei lipidi. Meccanismo di azione della lipasi pancreatica. Risintesi dei triacilgliceroli. Il destino del glicerolo. Biosintesi degli acidi grassi. β-Ossidazione degli acidi grassi. Metabolismo dei carboidrati. Digestione e idrolisi di carboidrati complessi. Il catabolismo del glucosio: la glicolisi. Le trasformazioni del piruvato, conversione in lattato, in etanolo ed in acetil CoA. Il ciclo dell’acido citrico. Gluconeogenesi. Ciclo di Krebs. Via dei pentoso fosfato. Metabolismo degli amminoacidi Reazione di deamminazione: amminotransferasi. Riconversione della piridossamina fosfato in piridossal fosfato. Deamminazione ossidativa del glutammato. Ciclo dell’urea. Sezione C: Biosintesi, struttura e funzione di prodotti naturali biologicamente attivi Via biosintetica dell’acetato. Acidi grassi essenziali e biosintesi e proprietà biologiche delle prostaglandine. Ciclizzazione del polichetide: sintesi di composti fenolici semplici. Polichetidi ed eterocicli aromatici, aflatossine, cannabinoidi, antibiotici macrolidici, tetracicline. Biosintesi dell’eritromicina A, e dei cannabinoidi. Sistema endocannabinoidico endogeno Via biosintetica del mevalonato. Classificazione dei terpeni. Biosintesi dell’ unità biologicamente attiva: IPP . Reazione di accoppiamento dell’IPP con il DMAPP. Biosintesi del limonene e terpinenolo. Monoterpeni: oli essenziali, piretrine, valepotriati (valeriana). Sesquiterpeni: partenolidi, bisaboleni (camomilla), artemisinina, acido abscissico. Diterpeni: taxolo, giberelline, gingkolidi (Gingko biloba). Biosintesi di taxadiene ed ent-kaurene. Triterpeni: biosintesi e ciclizzazione dello squalene. Biosintesi del lanosterolo e cicloartenolo. Triterpeni dammaranici e lupanici. Biosintesi del colesterolo. Saponine steroidee: glicosidi cardioattivi (Digitale). Fitosteroli. Vitamine del gruppo D. Tetraterpeni: carotenoidi, vitamina A. Vitamina A e meccanismo molecolare della visione Via dell’acido shikimico. Biosintesi degli intermedi della via biogenetica per la sintesi di fenilalanina e tirosina. Acidi benzoici e tannini. Catecolammine. Deamminazione mediante PAL: acidi cinnamici e alcoli cinnamoilici. Accoppiamento ossidativo di alcoli cinnamoilici e biosintesi di lignani, podofillotossina. Fenilpropani. Biosintesi e bioattività di cumarine e psoraleni. Chinoni terpenoidici: vitamina E e vitamina K. Classificazione dei flavonoidi. Antocianine: variazioni strutturali in soluzioni acido-base. Sezione D: Spettroscopia interpretativa organica Metodi spettroscopici La radiazione elettromagnetica – Interazione energia radiante-materia – Energia atomica e molecolare – Stati fondamentali ed eccitati. Spettroscopia nell’ultravioletto Spettri elettronici e di assorbimento – Orbitali molecolari e transizioni permesse e osservabili spettroscopicamente – Legge di Lambert-Beer – Gruppi cromofori e auxocromi – Effetti ipocromici e ipercromici – Effetti batocromici ed ispocromici – Transizioni σ→ σ*, π→π*, n→π* - Sistemi coniugati – Fluorescenza. Spettroscopia nell’Infrarosso Energia vibrazionale – Vibrazioni molecolari: stretching, bending – Legge di Hooke dell’oscillatore armonico semplice – Gradi di libertà - Fattori che modificano il numero teorico delle vibrazioni fondamentali – Intensità di un assorbimento IR – Fattori che influenzano la frequenza di assorbimento – Regole di selezione – Principali assorbimenti IR. Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare Nuclei attivi all’NMR – Numero quantico di spin – rapporto giromagnetico – Stati di spin in un campo magnetico – Fenomeno della risonanza magnetica nucleare – Rilassamento spin-spin e spin- reticolo – Strumentazione: spettrometro a trasformata di Fourier – Spettrometria 1H-NMR – Chemical shift – Anisotropia diamagnetica – Accoppiamento spin-spin – Costante di accoppiamento: equazione di Karplus-Conroy – Disaccoppiamento – Effetto nucleare Overhauser – Intensità del segnale e integrazione – Protoni su eternatomi – Spettrometria 13C-NMR – Costante di accoppiamento – Spettro 13C-NMR disaccoppiato - DEPT (Distorsionless Enhancement by Polarization Transfer) –Interpretazione delle principali frammentazioni dei composti organici in uno spettro di massa. Approccio razionale per la determinazione strutturale di molecole organiche mediante spettri combinati.

Italian

Functional groups, mechanisms and stereochemistry of organic compounds. Biomolecules: sugar, lipids, aminoacids, nucleic acids. Molecular mechanism of biosinthesis and metabolism of terpene, sugar, lipids and aminoacid. Natural substances with significant applications in the pharmaceutical and industrial fields.

Class notes -Any universitary book of Organic Chemistry -Dewick “Chimica, biosintesi e bioattività delle sostanze naturali” Ed. Piccin -M. Hesse - H. Meier - B. Zeeh- Metodi spettroscopici in chimica organica- Ed. EdiSES Sternhell – Kalman “Organic Structures from Spectra

Knowledge and Understanding
By the end of the course, students will acquire a solid understanding of the chemical-physical principles and molecular mechanisms that govern interactions and reactions in biological systems. They will comprehend the enzymatic mechanisms involved in catabolic and biosynthetic processes of molecules of biological, pharmaceutical, and industrial relevance. In addition, students will gain theoretical and practical knowledge of the main spectroscopic techniques used in bioorganic chemistry (IR, UV, NMR) for the structural characterization of biomolecules.

Applying Knowledge and Understanding
Students will be able to apply the acquired knowledge to analyze and interpret reaction mechanisms in biological systems and to understand enzyme function in complex contexts. They will be able to use the principles of spectroscopic techniques for the structural analysis of biomolecules and solve problems related to the structural determination and transformation of bioorganic compounds.

**Making Judgements**
Students will develop the ability to critically evaluate experimental data and theoretical models related to bioorganic systems. They will be able to formulate hypotheses about reaction mechanisms and assess the reliability of results obtained through spectroscopic techniques, taking into account methodological limitations and potential sources of error.

Communication Skills
Students will acquire the ability to communicate concepts and results in bioorganic chemistry clearly and accurately, using appropriate scientific language. They will be able to present and discuss reaction mechanisms, spectroscopic data, and molecular models both in written and oral forms, interacting effectively with specialist and non-specialist audiences.

Learning Skills
Students will develop autonomous learning skills that allow them to continuously deepen and update their knowledge in bioorganic chemistry. They will be able to critically consult scientific literature, address advanced topics, and apply the skills acquired in research or professional contexts within the biological, pharmaceutical, and biotechnological fields.

Good knowledges of the structure and the reactivity of monofunctional organic compounds

Teaching methods and course organization
The course consists of 56 hours of in-person lectures delivered by the professor, during which theoretical concepts will be presented and applied to a variety of biosynthetic processes.

With regard to the part of the program focused on spectroscopic techniques in bioorganic chemistry, numerical exercises and problem-solving sessions are conducted in the classroom under the supervision of the instructor. Homework assignments are reviewed and discussed with the instructor during office hours, where clarification and feedback are provided.

**Independent study and learning objectives**
Through individual study, students are expected to acquire knowledge and understanding of the fundamental principles of bioorganic chemistry, with particular reference to:

1. knowledge of the structure and function of the main classes of bioorganic compounds;
2. understanding of catabolic and anabolic processes involved in the degradation and biosynthesis of bioorganic compounds;
3. understanding of spectroscopic techniques (IR, UV, NMR) and their application in the structural characterization of biomolecules.

The achievement of the learning objectives of the course is certified through the passing of an exam, graded on a 30-point scale. .The final examination is conducted orally and is designed to evaluate the student’s ability to reason and make connections between the various topics covered in the course. The oral exam focuses on mechanistic aspects of biosynthesis and metabolism of bioorganic compounds, biologically active natural compounds, and the theoretical foundations of spectroscopy. Throughout the course, periodic assessments will be administered in the form of written tests, including multiple-choice and open-ended questions. Successful completion of these periodic assessments will exempt the student from being examined on the corresponding topics during the final oral exam. <18 Fail: the student does not demonstrate learning outcomes consistent with the Dublin descriptors for knowledge and understanding, application, judgment, communication, and learning skills.
18-21 Sufficient: the student achieves the basic descriptors for knowledge and understanding of fundamental content and shows an initial ability to apply this knowledge in simple contexts.
22-24 Fully sufficient: the student meets the descriptors for applied knowledge and understanding, showing the ability to correctly apply key concepts and begin to critically analyze situations related to the course topics.
25-26 Good: the student demonstrates autonomy of judgment in evaluating and comparing relevant scenarios, applies knowledge effectively, and communicates results clearly, reflecting more consolidated skills.
27-29 Very good: the student demonstrates an advanced level across the five descriptors, with mastery of content, the ability to critically evaluate complex cases, and strong communication skills, evidenced in papers and presentations.
30 Excellent: the student excels in all Dublin descriptors, with in-depth knowledge, safe and critical application, autonomous judgment, effective communication, and the ability to learn continuously and creatively, producing high-quality work both in presentations and written/oral tests. Honors (cum laude) may be awarded when the student demonstrates, in addition, particular originality, depth, and innovation in the paper and presentation, exceeding standard expectations.

Attendance is strongly recommended. The student will be able to make use of the teaching material (lecture notes, exercises, etc.) and on the blog ;chimica organica DISTABIF"(https://chimicaorganicadistabif.com/). The instructor is available for student office hours on the days indicated in the course syllabus and, upon request, at other times that can be arranged via email.

Prerequisites for the Study of Bioorganic Chemistry Functional groups in bioorganic chemistry. Acids and bases, electrophiles and nucleophiles. Review of the main reaction mechanisms in bioorganic chemistry: substitution, condensation, elimination, and addition. Thermodynamic and kinetic aspects of reactions. Structure and reactivity of organic intermediates: carbocations, radicals, and carbanions. Chirality of biomolecules and prochirality. Section A: Structural Characteristics of Bioorganic Compounds Lipids: Fatty acids – structure and nomenclature. Hydrolyzable lipids: triglycerides, phospholipids, sphingolipids, and waxes. Steroids. Carbohydrates: Classification, nomenclature, and stereochemistry. Monosaccharides: cyclic structures, anomeric effect. Deoxy sugars. Amino sugars. Phosphoric esters. N-glycosides and C-glycosides. Disaccharides: cellobiose, maltose, lactose, sucrose. Blood group oligosaccharides. Homopolysaccharides and heteropolysaccharides: starch, cellulose, chitin, pectins, glycogen, dextrans, glycosaminoglycans, peptidoglycans. Amino Acids and Peptides: Stereochemistry and acid-base properties. Titration curves of acidic and basic amino acids. Structure and reactivity of bioactive amino acids and peptides. Section B: Biological Transformations of Bioorganic Compounds Organic chemistry of vitamin coenzymes: vitamin B3 and pyridine nucleotide coenzymes, vitamin B2 and flavin adenine dinucleotide coenzymes, vitamin B5 and coenzyme A, vitamin B7 and biotin, vitamin B6 and pyridoxal phosphate (PLP). Catalysis in organic and enzymatic reactions: general and specific acid-base catalysis, nucleophilic catalysis, and metal ion catalysis. Enzymatic catalysis and enzyme classification: oxidoreductases, transferases, hydrolases, lyases, isomerases, synthetases. Lipid metabolism: Mechanism of pancreatic lipase action. Triacylglycerol resynthesis. Fate of glycerol. Fatty acid biosynthesis. β-Oxidation of fatty acids. Carbohydrate metabolism: Digestion and hydrolysis of complex carbohydrates. Glucose catabolism: glycolysis. Pyruvate transformations – conversion to lactate, ethanol, and acetyl CoA. Citric acid cycle. Gluconeogenesis. Pentose phosphate pathway. Amino acid metabolism: Deamination reactions – aminotransferases. Conversion of pyridoxamine phosphate to pyridoxal phosphate. Oxidative deamination of glutamate. Urea cycle. Section C: Biosynthesis, Structure, and Function of Biologically Active Natural Products Acetate biosynthetic pathway. Essential fatty acids and biosynthesis and biological properties of prostaglandins. Polyketide cyclization: synthesis of simple phenolic compounds. Polyketides and aromatic heterocycles, aflatoxins, cannabinoids, macrolide antibiotics, tetracyclines. Biosynthesis of erythromycin A and cannabinoids. Endogenous endocannabinoid system. Mevalonate biosynthetic pathway: Classification of terpenes. Biosynthesis of the biologically active unit: isopentenyl pyrophosphate (IPP). Coupling reaction of IPP with dimethylallyl pyrophosphate (DMAPP). Biosynthesis of limonene and terpinenol. Monoterpenes: essential oils, pyrethrins, valepotriates (valerian). Sesquiterpenes: parthenolides, bisabolene (chamomile), artemisinin, abscisic acid. Diterpenes: taxol, gibberellins, ginkgolides (Ginkgo biloba). Biosynthesis of taxadiene and ent-kaurene. Triterpenes: biosynthesis and cyclization of squalene. Biosynthesis of lanosterol and cycloartenol. Dammaranic and lupane triterpenes. Cholesterol biosynthesis. Steroidal saponins: cardiotonic glycosides (digitalis). Phytosterols. Vitamin D group. Tetraterpenes: carotenoids, vitamin A. Vitamin A and the molecular mechanism of vision. Shikimate pathway: Biosynthesis of intermediates for phenylalanine and tyrosine synthesis. Benzoic acids and tannins. Catecholamines. Deamination via phenylalanine ammonia-lyase (PAL): cinnamic acids and cinnamoyl alcohols. Oxidative coupling of cinnamoyl alcohols and biosynthesis of lignans, podophyllotoxin. Phenylpropanoids. Biosynthesis and bioactivity of coumarins and psoralens. Terpenoid quinones: vitamins E and K. Flavonoid classification. Anthocyanins: structural variations in acid-base solutions. Section D: Interpretative Organic Spectroscopy Spectroscopic methods: Electromagnetic radiation – interaction of radiant energy with matter – atomic and molecular energy – ground and excited states. Ultraviolet Spectroscopy: Electronic and absorption spectra – molecular orbitals and spectroscopically allowed transitions – Lambert-Beer law – chromophores and auxochromes – hypochromic and hyperchromic effects – bathochromic and hypsochromic shifts – σ→σ*, π→π*, n→π* transitions – conjugated systems – fluorescence. Infrared Spectroscopy: Vibrational energy – molecular vibrations: stretching, bending – Hooke’s law for the simple harmonic oscillator – degrees of freedom – factors affecting the number of fundamental vibrations – IR absorption intensity – factors influencing absorption frequency – selection rules – main IR absorptions. Nuclear Magnetic Resonance (NMR) Spectroscopy: NMR-active nuclei – spin quantum number – gyromagnetic ratio – spin states in a magnetic field – nuclear magnetic resonance phenomenon – spin-spin and spin-lattice relaxation – instrumentation: Fourier transform spectrometer – 1H-NMR spectroscopy – chemical shift – diamagnetic anisotropy – spin-spin coupling – coupling constant: Karplus–Conroy equation – decoupling – nuclear Overhauser effect – signal intensity and integration – protons on heteroatoms – 13C-NMR spectroscopy – coupling constant – broadband decoupled 13C-NMR spectrum – DEPT (Distortionless Enhancement by Polarization Transfer) – interpretation of main fragmentations of organic compounds in mass spectrometry. Rational approach to the structural determination of organic molecules using combined spectra.