Membrane biophysics and signal transduction
A.A. 2024/2025
Obiettivi formativi
Lo scopo dell'insegnamento è quello di fornire una profonda conoscenza delle proprietà strutturali/funzionali delle membrane cellulari e dei processi di segnalazione attraverso i quali le informazioni raggiungono i bersagli intracellulari sede di modulazione. L'insegnamento tratterà i seguenti temi:
- effetti funzionali delle interazioni lipidi-lipidi e lipidi-proteine;
- le proprietà passive e attive della membrana plasmatica e in particolare con i meccanismi molecolari che regolano l'eccitabilità cellulare e la propagazione dei segnali elettrici;
- l'importanza funzionale di specializzazioni strutturali delle membrane;
- i concetti di base della trasduzione del segnale cellulare;
- funzionamento e modulazione di chinasi, fosfatasi, recettori accoppiati a proteine G, recettori intracellulari;
- le complessità meccanicistiche alla base della conversione di diversi stimoli in una serie di reazioni intracellulari attraverso percorsi di trasduzione del segnale;
- i meccanismi molecolari attraverso i quali le vie di trasduzione del segnale comunicano informazioni ai programmi di espressione genica;
- i recenti progressi sul potenziale impatto delle vie di segnalazione nelle malattie umane.
- effetti funzionali delle interazioni lipidi-lipidi e lipidi-proteine;
- le proprietà passive e attive della membrana plasmatica e in particolare con i meccanismi molecolari che regolano l'eccitabilità cellulare e la propagazione dei segnali elettrici;
- l'importanza funzionale di specializzazioni strutturali delle membrane;
- i concetti di base della trasduzione del segnale cellulare;
- funzionamento e modulazione di chinasi, fosfatasi, recettori accoppiati a proteine G, recettori intracellulari;
- le complessità meccanicistiche alla base della conversione di diversi stimoli in una serie di reazioni intracellulari attraverso percorsi di trasduzione del segnale;
- i meccanismi molecolari attraverso i quali le vie di trasduzione del segnale comunicano informazioni ai programmi di espressione genica;
- i recenti progressi sul potenziale impatto delle vie di segnalazione nelle malattie umane.
Risultati apprendimento attesi
Ci si aspetta che gli studenti siano in grado di padroneggiare i processi attraverso i quali vengono generati i segnali biologici (segnali elettrici e biochimici) che passando attraverso la membrana plasmatica raggiungono i bersagli intracellulari.
Ci si aspetta che gli studenti siano in grado di capire come i lipidi, recettori, canali ionici e molecole di segnalazione interagiscono nel generare risposte cellulari a varie tipologie di stimoli.
Ci si aspetta che gli studenti siano in grado di capire come i lipidi, recettori, canali ionici e molecole di segnalazione interagiscono nel generare risposte cellulari a varie tipologie di stimoli.
Periodo: Secondo semestre
Modalità di valutazione: Esame
Giudizio di valutazione: voto verbalizzato in trentesimi
Corso singolo
Questo insegnamento può essere seguito come corso singolo.
Programma e organizzazione didattica
Edizione unica
Responsabile
Periodo
Secondo semestre
Programma
BIOFISICA di MEMBRANA:
Principi di base della composizione delle biomembrane. Interazioni con lipidi e proteine. Lipidi come molecole di segnalazione
Microdomini a membrana, "zattere lipidiche" e caveolae. Caveolina-1, 2 e 3. Ruolo delle caveole e delle proteine che interagiscono con le caveoline.
Proprietà elettriche passive delle membrane eccitabili; Modello elettrico equivalente RC delle membrane cellulari. Il concetto e le conseguenze
delle costanti del tempo e dello spazio nell'eccitabilità neuronale. Conduzione elettrotonica del segnale elettrico lungo una membrana.
I potenziali d'azione delle cellule eccitabili: il modello Hodgkin e Huxley del potenziale d'azione neuronale e la descrizione dei potenziali d'azione cardiaci.
Funzione e struttura dei canali ionici.
Esempi specifici dell'effetto dei microdomini lipidici sulle proprietà cinetiche dei canali ionici e conseguenze sull'eccitabilità della membrana
Esempi di organizzazioni specifiche di biomembrane: 1- i couplons nei muscoli scheletrici e cardiomiociti e come essi influenzano le proprietà di accoppiamento eccitazione-contrazione'. 2- La giunzione neuromuscolare come paradigma dell' interazione funzionale reciproca di biomembrane appartenenti a cellule diverse.
TRASDUZIONE DEL SEGNALE:
Concetti fondamentali relativi alla trasduzione del segnale cellulare. Entrate e uscite dei segnali.
Classi di componenti delle vie di trasduzione del segnale: piccole proteine di tipo G, chinasi, fosfatasi, proteine adattatrici, e elementi del citoscheletro.
Organizzazione in reti delle vie di trasduzione del segnale. Classi di interconnessione: giunzioni e nodi. Esempi di giunzioni e nodi.
Dinamica dei complessi di trasduzione del segnale in differenti tipi di cellule. Cellule T versus neuroni: un esempio di come identiche reti di trasduzione del segnale possano avere una differente logica di circuito.
Meccanismi di consolidamento del segnale.
Il recettore della tirosina chinasi come uno dei migliori esempi di nodo.
TOR: una molecola con una doppia identità. Regolazione dell'attività di mTORC1 da parte di nutrienti e/o da parte di alterazioni dello stato energetico cellulare. Trasduzione del segnale di mTORC1 all'apparato traduzionale. Recenti sviluppi di strumenti farmacologici e tecnologie (profili polisomali e ribosome profiling) in grado di monitorare i cambiamenti del traduttoma sull'intero genoma. Esempi di disordini e malattie dell'uomo riconducibili a difetti nel controllo traduzionale.
Meccanismo di trasduzione del segnale da stress del reticolo endoplasmatico (UPR). Trasduttori del segnale UPR e effettori a valle. Intersezioni delle vie mTOR-ER. Caratteristiche patogeniche di prolungati stress del reticolo endoplasmatico.
Principi di base della composizione delle biomembrane. Interazioni con lipidi e proteine. Lipidi come molecole di segnalazione
Microdomini a membrana, "zattere lipidiche" e caveolae. Caveolina-1, 2 e 3. Ruolo delle caveole e delle proteine che interagiscono con le caveoline.
Proprietà elettriche passive delle membrane eccitabili; Modello elettrico equivalente RC delle membrane cellulari. Il concetto e le conseguenze
delle costanti del tempo e dello spazio nell'eccitabilità neuronale. Conduzione elettrotonica del segnale elettrico lungo una membrana.
I potenziali d'azione delle cellule eccitabili: il modello Hodgkin e Huxley del potenziale d'azione neuronale e la descrizione dei potenziali d'azione cardiaci.
Funzione e struttura dei canali ionici.
Esempi specifici dell'effetto dei microdomini lipidici sulle proprietà cinetiche dei canali ionici e conseguenze sull'eccitabilità della membrana
Esempi di organizzazioni specifiche di biomembrane: 1- i couplons nei muscoli scheletrici e cardiomiociti e come essi influenzano le proprietà di accoppiamento eccitazione-contrazione'. 2- La giunzione neuromuscolare come paradigma dell' interazione funzionale reciproca di biomembrane appartenenti a cellule diverse.
TRASDUZIONE DEL SEGNALE:
Concetti fondamentali relativi alla trasduzione del segnale cellulare. Entrate e uscite dei segnali.
Classi di componenti delle vie di trasduzione del segnale: piccole proteine di tipo G, chinasi, fosfatasi, proteine adattatrici, e elementi del citoscheletro.
Organizzazione in reti delle vie di trasduzione del segnale. Classi di interconnessione: giunzioni e nodi. Esempi di giunzioni e nodi.
Dinamica dei complessi di trasduzione del segnale in differenti tipi di cellule. Cellule T versus neuroni: un esempio di come identiche reti di trasduzione del segnale possano avere una differente logica di circuito.
Meccanismi di consolidamento del segnale.
Il recettore della tirosina chinasi come uno dei migliori esempi di nodo.
TOR: una molecola con una doppia identità. Regolazione dell'attività di mTORC1 da parte di nutrienti e/o da parte di alterazioni dello stato energetico cellulare. Trasduzione del segnale di mTORC1 all'apparato traduzionale. Recenti sviluppi di strumenti farmacologici e tecnologie (profili polisomali e ribosome profiling) in grado di monitorare i cambiamenti del traduttoma sull'intero genoma. Esempi di disordini e malattie dell'uomo riconducibili a difetti nel controllo traduzionale.
Meccanismo di trasduzione del segnale da stress del reticolo endoplasmatico (UPR). Trasduttori del segnale UPR e effettori a valle. Intersezioni delle vie mTOR-ER. Caratteristiche patogeniche di prolungati stress del reticolo endoplasmatico.
Prerequisiti
Conosenze approfondite di Fisica, Fisiologia generale e Biochimica.
Metodi didattici
L'insegnamento consisterà di lezioni frontali e seminari di approfondimento degli argomenti trattati. Le lezioni comprenderanno la presentazione di diapositive PowerPoint preparate dal docente e, quando necessari, spiegazioni alla lavagna. Agli studenti saranno anche distribuite copie di articoli recenti pubblicati su riviste internazionali e inerenti alle tematiche affrontate. Questi articoli saranno anche disponibili in formato pdf sul sito web del docente.
Modalità di frequenza: fortemente consigliata.
Modalità di frequenza: fortemente consigliata.
Materiale di riferimento
I file pdf delle lezioni e gli articoli scientifici discussi sono disponibili sul sito Ariel dedicato al corso.
Libri di testo:
Kandel Principi di Neuroscienze (Capitoli 6 e 7 della terza edizione)
Hille, Ionic Channels of Excitable Membranes
Signal Transduction: Principles, Pathways, and Processes (Cold Spring Harbor Laboratory press)
Libri di testo:
Kandel Principi di Neuroscienze (Capitoli 6 e 7 della terza edizione)
Hille, Ionic Channels of Excitable Membranes
Signal Transduction: Principles, Pathways, and Processes (Cold Spring Harbor Laboratory press)
Modalità di verifica dell’apprendimento e criteri di valutazione
L'esame orale verte sui due moduli del Corso: 1) Biofisica di membrana (3 CFU) e 2) Meccanismi di trasduzione del segnale (3 CFU). Il voto finale sarà la media dei voti ottenuti nei due moduli.
FIS/07 - FISICA APPLICATA (A BENI CULTURALI, AMBIENTALI, BIOLOGIA E MEDICINA) - CFU: 6
Lezioni: 48 ore
Docenti:
Brandalise Federico, Ricciardi Sara
Docente/i