Biocristallografia (2009/2010)

Corso a esaurimento

Codice insegnamento
4S00160
Crediti
6
Coordinatore
Ugo Luigi Monaco
L'insegnamento è organizzato come segue:
Modulo Crediti Settore disciplinare Periodo Docenti
TEORIA 5 BIO/11-BIOLOGIA MOLECOLARE II semestre Ugo Luigi Monaco
LABORATORIO 1 BIO/11-BIOLOGIA MOLECOLARE II semestre Massimiliano Perduca

Obiettivi formativi

Il corso di Biocristallografia per la Laurea Biennale specialistica in Biotecnologie Molecolari ed Industriali si propone lo sviluppo delle capacità necessarie per la lettura critica di lavori riguardanti la Biocristallografia, branca fondamentale della Biologia Strutturale moderna.
Dopo una’introduzione ai fondamenti della teoria della diffrazione e dei metodi moderni usati per la raccolta dei dati si affrontano il problema della fase e le differenze metodologiche nella determinazione delle strutture di piccole molecole e di macromolecole. Il corso prevede inoltre la lettura di lavori scientifici che vengono aggiornati ogni anno e che riguardano strutture di grande importanza biologica. Il laboratorio introduce gli studenti alle tecniche fondamentali del campo, soprattuto quelle che riguardano la preparazione di cristalli biologici.

Programma

TEORIA

Introduzione. Tecniche usate per la determinazione della struttura tridimensionale delle macromolecole. Ruolo della Biocristallografia nella strutturistica macromolecolare.

Teoria della diffrazione. Il fenomeno della diffusione. Geometria. Diffusione dovuta ad un unico elettrone. Diffusione da un atomo. Il fattore di scattering atomico. Fattore di struttura. Il fattore di struttura di un atomo non collocato nell'origine di un sistema di coordinate. Diffusione di un filare di atomi. Diffusione di un insieme tridimensionale di atomi. Condizioni di Von Laue. Fattore di Struttura di un cristallo. Trasformate di Fourier. Le convoluzioni nel calcolo della diffrazione dei raggi X. Legge di Bragg.

Proprietà dei cristalli. Simmetria. Elementi di Simmetria. Gruppi spaziali. Reticolo reciproco. Preparazione dei cristalli macromolecolari. Proprietà dei cristalli di proteina. Relazione fra reticolo reciproco e reticolo cristallino. Sfera di Ewald. Determinazione del gruppo spaziale di un cristallo. Calcolo del numero di molecole presenti nella cella unitaria di un cristallo macromolecolare.

Determinazione della struttura molecolare per diffrazione dei raggi X. Il problema della fase. Stadi nella determinazione di una struttura macromolecolare. Sorgenti di raggi X. Metodi di raccolta di dati. Risoluzione del problema della fase. Sostituzione isomorfa multipla. La Funzione di Patterson. Trattamento degli errori. Calcolo delle mappe di densità elettronica. Sostituzione molecolare.

Costruzione e raffinamento del modello. Interpretazione delle mappe di densità elettronica. Costruzione del modello. Ruolo dell'informatica grafica. Raffinamento del Modello. Criteri di accuratezza. Il fattore R. I grafici di Ramachandran. Controllo della stereochimica.

Alcuni risultati della Biocristallografia. La sintesi di Fourier differenza nello studio funzionale delle proteine. Esempi. Cambiamenti conformazionali. Biocristallografia
risolta nel tempo. Importanza della luce di sincrotrone

Testi Consigliati

!) Rupp, B. (2010) Biomolecular Crystallography. Garland Science, New York

2) Giacovazzo, C. (Editor) (2000) Fundamentals of Crystallography. Second Edition Oxford University Press, Oxford.

3) Blow, D.( 2005) Outline of Crystallography for Biologists Oxford University Press, Oxford.

4) Blundell, T. L. & Johnson, L. N. (1976) Protein Crystallography. Academic Press, New York.

5) Drenth, J (1994) Principles of Protein X-ray Crystallography. Springer Verlag.

6) Cantor, C. R. & Schimmel, P. R. (1980) Biophysical Chemistry Volume 2. W. H. Freeman and Company, San Francisco.

7) McPherson, A. (1983) The Preparation and Analysis of Protein Crystals. John Wiley, New York.

LABORATORIO

Il laboratorio didattico di Biocristallografia si compone di una serie di lezioni pratiche che si focalizzano sui seguenti argomenti:
1) Una lezione introduttiva sulla teoria della cristallizzazione di macromolecole e sulle principali tecniche operative.
2) Preparazione di cristalli proteici avvalendosi delle tecniche più utilizzate nel campo (Microdialisi, Hanging drop e Sitting drop).
3) Raccolta di un set di dati di diffrazione con sorgente convenzionale ad anodo rotante, image plate detector e sistema a bassa temperatura.
4) Elaborazione ed analisi dei dati di diffrazione raccolti.
5) Risoluzione di una struttura proteica tramite sostituzione molecolare.
6) Costruzione e raffinamento di un modello proteico.
7) Escursus sui principali programmi usati per la rappresentazione grafica dei modelli macromolecolari.

Modalità d'esame

Orale

Testi di riferimento
Autore Titolo Casa editrice Anno ISBN Note
Bernhard Rupp Biomolecular Crystallography Garland Science 2009 978-0-8153-4081-2