Bioinformatics - Bioinformatica

Students acquire the knowledge and thinking skills necessary to understand biological problems in a evolutionary perspective. The course will provide students with understanding of the basic molecular mechanisms that operate in living cells, with a focus on the flow of genetic information.

Educational objectives The educational goal of the course is students' learning of the fundamentals of probability calculus and statistics.
Knowledge and understanding At the end of the course, students know and understand how to formalize the uncertainty, how to describe a population in quantitative terms and how to make inference about unknown parameters.
Ability to apply knowledge and understanding Students learn how to formalize a problem in the field of probability calculus or statistics.
Judgment independence The discussion of the various methods provides students with the skills necessary to analyze real situations critically and independently.
Communicative skills Students acquire the basic elements for reasoning in quantitative terms about uncertainty and statistical problems.
Learning skills Students who pass the exam are able to apply the methods learned in different application contexts.

INTRODUCTION TO BIOMEDICAL STATISTICS 1
Modulo: INTRODUCTION TO BIOMEDICAL STATISTICS 1
Syllabus

1. Descriptive statistics:

Introduction to statistics and descriptive statistics, subjects, population, census,

sample, sample survey, variable, classification of the variables, data matrix, frequency

distribution, relative frequency distribution, percentage frequency distribution,

introduction to location measures, mode, cumulative frequency distribution, relative

and percentage cumulative frequencies, median, quantiles, quartiles, deciles,

percentiles, mean value and its properties, partition of a numerical variable into

classes, histogram, box plot, pie chart and related variants, barplot, variability, range,

interquartile range, variance and its properties, standard deviation, coefficient of

variation, shape of a distribution, symmetric cases, positive and negative asymmetry,

standardization of a numerical variable, introduction to bivariate distribution and study

of association, joint frequencies, relative joint frequencies, conditional relative

frequencies, independence and perfect dependence between variables, chi-squared

index of association, scatter plot, Bravais-Pearson correlation coefficient and its

properties.

2. Probability calculus:

Introduction to probability calculus, experiment, sample space, events, event space,

sure and impossible events, Venn diagram, operations between events: intersection,

union, complement, distributive property of union and intersection, de Morgan rules,

relations between events: mutually exclusive events, exhaustive events, mutually

exhaustive events, inclusion, axioms of probability and their consequences, additive

rule, definitions of probability: classic, frequentist, subjective, conditional probability,

multiplicative rule, independence between events, drawings with and without

replacement, Bayes' theorem, definition of random variable, types of random variables,

probability distribution, probability mass function, density function, cumulative

distribution and its properties, expectation and its properties, variance and its

properties, standard deviation, standardization of a random variable, discrete uniform

distribution, Bernoulli distribution, Binomial distribution, uniform distribution, normal

distribution and its properties, standard normal distribution and use of the related

table, chi-squared distribution and use of the related table, Student's T distribution and

use of the related table, multivariate random variables, discrete and continuous

bivariate random variables, joint probability distribution, marginal probability

distributions, conditional probability distributions, independence of random variables,

expectation of a multivariate random variable, expectation and variance of a linear

combination of random variables, covariance and correlation between two random

variables.

3. Inferential statistics:

Introduction to statistical inference, population, parameter, simple random sampling,

simple random sample and its properties, observed sample, point estimation, interval

estimation, hypothesis testing, statistic and estimator, estimate, finite properties of an

estimator, unbiasedness, bias, mean square error, relative efficiency of an estimator,

asymptotic properties of an estimator, asymptotic unbiasedness, consistency,

convergence in distribution, central limit theorem, point estimation of the population

mean, point estimation of the population proportion, point estimation of the

population variance, unbiased sample variance and its properties, biased sample

variance and its properties, comparison of the mean square errors of the unbiased and

biased sample variances, confidence interval definition, pivotal quantity, confidence

interval for the mean of a normal population (with known and unknown variance),

approximate confidence interval for the mean of an arbitrary population and large

samples, approximated confidence interval for the population proportion and large

samples, confidence interval for the variance of a normal population, interpretation of

the confidence interval, introduction to hypothesis testing, definition of hypothesis,

null hypothesis and alternative hypothesis, simple and composite hypothesis,

one-sided and two-sided hypothesis, test, acceptance and rejection region, type I and type

II errors, significance level, confidence level and power of a test, test for the mean of a

normal population with known variance (with two-sided and one-sided alternative

hypothesis), test statistic, critical threshold, response of the test and its interpretation,

test for the mean of a normal population with unknown variance, test for the mean of

an arbitrary population and large samples, test for the population proportion and large

samples, test for population variance of a normal population, chi-squared test of

independence, p-value definition and computation, test for the difference of the means

of two normal populations with known variances, test for the difference of the means

of two normal populations with unknown equal variances, test for the difference of the

means of two arbitrary populations with unknown variances and large samples, test for

the difference of the proportions of two populations with large samples.

Modulo: INTRODUCTION TO BIOMEDICAL STATISTICS 2
N/D

Modulo: INTRODUCTION TO BIOMEDICAL STATISTICS 1

Modulo: INTRODUCTION TO BIOMEDICAL STATISTICS 2
N/D

INTRODUCTION TO BIOMEDICAL STATISTICS 2
Modulo: INTRODUCTION TO BIOMEDICAL STATISTICS 1
Syllabus

1. Descriptive statistics:

Introduction to statistics and descriptive statistics, subjects, population, census,

sample, sample survey, variable, classification of the variables, data matrix, frequency

distribution, relative frequency distribution, percentage frequency distribution,

introduction to location measures, mode, cumulative frequency distribution, relative

and percentage cumulative frequencies, median, quantiles, quartiles, deciles,

percentiles, mean value and its properties, partition of a numerical variable into

classes, histogram, box plot, pie chart and related variants, barplot, variability, range,

interquartile range, variance and its properties, standard deviation, coefficient of

variation, shape of a distribution, symmetric cases, positive and negative asymmetry,

standardization of a numerical variable, introduction to bivariate distribution and study

of association, joint frequencies, relative joint frequencies, conditional relative

frequencies, independence and perfect dependence between variables, chi-squared

index of association, scatter plot, Bravais-Pearson correlation coefficient and its

properties.

2. Probability calculus:

Introduction to probability calculus, experiment, sample space, events, event space,

sure and impossible events, Venn diagram, operations between events: intersection,

union, complement, distributive property of union and intersection, de Morgan rules,

relations between events: mutually exclusive events, exhaustive events, mutually

exhaustive events, inclusion, axioms of probability and their consequences, additive

rule, definitions of probability: classic, frequentist, subjective, conditional probability,

multiplicative rule, independence between events, drawings with and without

replacement, Bayes' theorem, definition of random variable, types of random variables,

probability distribution, probability mass function, density function, cumulative

distribution and its properties, expectation and its properties, variance and its

properties, standard deviation, standardization of a random variable, discrete uniform

distribution, Bernoulli distribution, Binomial distribution, uniform distribution, normal

distribution and its properties, standard normal distribution and use of the related

table, chi-squared distribution and use of the related table, Student's T distribution and

use of the related table, multivariate random variables, discrete and continuous

bivariate random variables, joint probability distribution, marginal probability

distributions, conditional probability distributions, independence of random variables,

expectation of a multivariate random variable, expectation and variance of a linear

combination of random variables, covariance and correlation between two random

variables.

3. Inferential statistics:

Introduction to statistical inference, population, parameter, simple random sampling,

simple random sample and its properties, observed sample, point estimation, interval

estimation, hypothesis testing, statistic and estimator, estimate, finite properties of an

estimator, unbiasedness, bias, mean square error, relative efficiency of an estimator,

asymptotic properties of an estimator, asymptotic unbiasedness, consistency,

convergence in distribution, central limit theorem, point estimation of the population

mean, point estimation of the population proportion, point estimation of the

population variance, unbiased sample variance and its properties, biased sample

variance and its properties, comparison of the mean square errors of the unbiased and

biased sample variances, confidence interval definition, pivotal quantity, confidence

interval for the mean of a normal population (with known and unknown variance),

approximate confidence interval for the mean of an arbitrary population and large

samples, approximated confidence interval for the population proportion and large

samples, confidence interval for the variance of a normal population, interpretation of

the confidence interval, introduction to hypothesis testing, definition of hypothesis,

null hypothesis and alternative hypothesis, simple and composite hypothesis,

one-sided and two-sided hypothesis, test, acceptance and rejection region, type I and type

II errors, significance level, confidence level and power of a test, test for the mean of a

normal population with known variance (with two-sided and one-sided alternative

hypothesis), test statistic, critical threshold, response of the test and its interpretation,

test for the mean of a normal population with unknown variance, test for the mean of

an arbitrary population and large samples, test for the population proportion and large

samples, test for population variance of a normal population, chi-squared test of

independence, p-value definition and computation, test for the difference of the means

of two normal populations with known variances, test for the difference of the means

of two normal populations with unknown equal variances, test for the difference of the

means of two arbitrary populations with unknown variances and large samples, test for

the difference of the proportions of two populations with large samples.

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Modulo: INTRODUCTION TO BIOMEDICAL STATISTICS 1

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INTRODUCTION TO BIOMEDICAL STATISTICS 1
Modulo: INTRODUCTION TO BIOMEDICAL STATISTICS 1
L'esame consiste in una prova scritta, che richiede la risoluzione di esercizi pratici e teorici, e una una prova orale previo superamento della parte scritta, che può svolgersi nella stessa giornata o a distanza di pochi giorni.

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L'esame consiste in una prova scritta, che richiede la risoluzione di esercizi pratici e teorici, e una una prova orale previo superamento della parte scritta, che può svolgersi nella stessa giornata o a distanza di pochi giorni.

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Testi suggeriti

1. Krijnen W P (2009). Applied statistics for bioinformatics using R. - URL: https://cran.r-project.org/doc/contrib/Krijnen-IntroBioInfStatistics.pdf

2. Venables W N, Smith D M and R Development Core Team (2025). An introduction to R - URL: https://www.math.chalmers.se/Stat/Grundutb/CTH/mve186/1415/R-Binder.pdf

3. Agresti A, Franklin C and Klingenberg B (2020). Statistics: The Art and Science of Learning from Data. Pearson.

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3. Agresti A, Franklin C and Klingenberg B (2020). Statistics: The Art and Science of Learning from Data. Pearson.

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3. Agresti A, Franklin C and Klingenberg B (2020). Statistics: The Art and Science of Learning from Data. Pearson.

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2. Venables W N, Smith D M and R Development Core Team (2025). An introduction to R - URL: https://www.math.chalmers.se/Stat/Grundutb/CTH/mve186/1415/R-Binder.pdf

3. Agresti A, Franklin C and Klingenberg B (2020). Statistics: The Art and Science of Learning from Data. Pearson.

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Obiettivi formativi

Obiettivo formativo dell’insegnamento è l'apprendimento da parte degli studenti dei fondamenti del calcolo delle probabilità e della statistica.

Conoscenza e capacità di comprensione

Alla fine del corso gli studenti conoscono e comprendono come formalizzare l’incertezza, descrivere quantitativamente le caratteristiche di una popolazione e come fare inferenza su parametri non noti.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione

Gli studenti apprendono come impostare un problema di probabilità o statistica.

Autonomia di giudizio

La discussione dei vari metodi fornisce agli studenti le capacità necessarie per analizzare criticamente, ed in autonomia, situazioni reali.

Abilità comunicativa

Gli studenti acquisiscono gli elementi di base per ragionare, e far ragionare, in termini quantitativi su problemi di incertezza e statistica.

Capacità di apprendimento

Gli studenti che superano l’esame sono in grado di applicare i metodi appresi in diversi contesti applicativi.

Modulo: INTRODUCTION TO BIOMEDICAL STATISTICS 1
Al termine del corso, gli studenti saranno in grado di orientarsi nell’ambiente di RStudio, scrivere ed eseguire script in R e comprendere la sintassi di base del linguaggio, i tipi di dato e le principali operazioni. Apprenderanno come importare dati da diverse fonti e come ispezionare, pulire e manipolare efficacemente i dataset utilizzando vari pacchetti, inclusa la gestione dei valori mancanti e la trasformazione delle variabili.

Gli studenti saranno inoltre in grado di calcolare e interpretare statistiche descrittive ed esplorare le distribuzioni dei dati mediante sintesi numeriche e strumenti di visualizzazione. Svilupperanno la capacità di creare rappresentazioni grafiche chiare e informative, personalizzando opportunamente i grafici per una comunicazione scientifica efficace.

In aggiunta, acquisiranno una conoscenza di base della probabilità e delle distribuzioni statistiche più comuni nel contesto biomedico, imparando a simulare dati e a valutare la normalità tramite grafici e test statistici. Saranno in grado di condurre analisi statistiche inferenziali di base, incluse test di ipotesi e costruzione di intervalli di confidenza, applicando quando opportuno metodi non parametrici.

Il corso affronterà anche l’analisi della correlazione e la regressione lineare semplice e multipla, consentendo agli studenti di analizzare le relazioni tra variabili, interpretare i risultati dei modelli e valutare le ipotesi sottostanti attraverso grafici e criteri diagnostici. Verranno inoltre introdotti i concetti fondamentali dell’analisi dei dati categorici, incluse le tabelle di contingenza, i test del chi-quadro e la stima del modello di regressione logistica per outcome binari.

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Syllabus

1. Descriptive statistics:

Introduction to statistics and descriptive statistics, subjects, population, census,

sample, sample survey, variable, classification of the variables, data matrix, frequency

distribution, relative frequency distribution, percentage frequency distribution,

introduction to location measures, mode, cumulative frequency distribution, relative

and percentage cumulative frequencies, median, quantiles, quartiles, deciles,

percentiles, mean value and its properties, partition of a numerical variable into

classes, histogram, box plot, pie chart and related variants, barplot, variability, range,

interquartile range, variance and its properties, standard deviation, coefficient of

variation, shape of a distribution, symmetric cases, positive and negative asymmetry,

standardization of a numerical variable, introduction to bivariate distribution and study

of association, joint frequencies, relative joint frequencies, conditional relative

frequencies, independence and perfect dependence between variables, chi-squared

index of association, scatter plot, Bravais-Pearson correlation coefficient and its

properties.

2. Probability calculus:

Introduction to probability calculus, experiment, sample space, events, event space,

sure and impossible events, Venn diagram, operations between events: intersection,

union, complement, distributive property of union and intersection, de Morgan rules,

relations between events: mutually exclusive events, exhaustive events, mutually

exhaustive events, inclusion, axioms of probability and their consequences, additive

rule, definitions of probability: classic, frequentist, subjective, conditional probability,

multiplicative rule, independence between events, drawings with and without

replacement, Bayes' theorem, definition of random variable, types of random variables,

probability distribution, probability mass function, density function, cumulative

distribution and its properties, expectation and its properties, variance and its

properties, standard deviation, standardization of a random variable, discrete uniform

distribution, Bernoulli distribution, Binomial distribution, uniform distribution, normal

distribution and its properties, standard normal distribution and use of the related

table, chi-squared distribution and use of the related table, Student's T distribution and

use of the related table, multivariate random variables, discrete and continuous

bivariate random variables, joint probability distribution, marginal probability

distributions, conditional probability distributions, independence of random variables,

expectation of a multivariate random variable, expectation and variance of a linear

combination of random variables, covariance and correlation between two random

variables.

3. Inferential statistics:

Introduction to statistical inference, population, parameter, simple random sampling,

simple random sample and its properties, observed sample, point estimation, interval

estimation, hypothesis testing, statistic and estimator, estimate, finite properties of an

estimator, unbiasedness, bias, mean square error, relative efficiency of an estimator,

asymptotic properties of an estimator, asymptotic unbiasedness, consistency,

convergence in distribution, central limit theorem, point estimation of the population

mean, point estimation of the population proportion, point estimation of the

population variance, unbiased sample variance and its properties, biased sample

variance and its properties, comparison of the mean square errors of the unbiased and

biased sample variances, confidence interval definition, pivotal quantity, confidence

interval for the mean of a normal population (with known and unknown variance),

approximate confidence interval for the mean of an arbitrary population and large

samples, approximated confidence interval for the population proportion and large

samples, confidence interval for the variance of a normal population, interpretation of

the confidence interval, introduction to hypothesis testing, definition of hypothesis,

null hypothesis and alternative hypothesis, simple and composite hypothesis,

one-sided and two-sided hypothesis, test, acceptance and rejection region, type I and type

II errors, significance level, confidence level and power of a test, test for the mean of a

normal population with known variance (with two-sided and one-sided alternative

hypothesis), test statistic, critical threshold, response of the test and its interpretation,

test for the mean of a normal population with unknown variance, test for the mean of

an arbitrary population and large samples, test for the population proportion and large

samples, test for population variance of a normal population, chi-squared test of

independence, p-value definition and computation, test for the difference of the means

of two normal populations with known variances, test for the difference of the means

of two normal populations with unknown equal variances, test for the difference of the

means of two arbitrary populations with unknown variances and large samples, test for

the difference of the proportions of two populations with large samples.

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L'esame consiste in una prova scritta, che richiede la risoluzione di esercizi pratici e teorici, e una una prova orale previo superamento della parte scritta, che può svolgersi nella stessa giornata o a distanza di pochi giorni.

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1. Krijnen W P (2009). Applied statistics for bioinformatics using R. - URL: https://cran.r-project.org/doc/contrib/Krijnen-IntroBioInfStatistics.pdf

2. Venables W N, Smith D M and R Development Core Team (2025). An introduction to R - URL: https://www.math.chalmers.se/Stat/Grundutb/CTH/mve186/1415/R-Binder.pdf

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3. Agresti A, Franklin C and Klingenberg B (2020). Statistics: The Art and Science of Learning from Data. Pearson.

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Obiettivi formativi

Obiettivo formativo dell’insegnamento è l'apprendimento da parte degli studenti dei fondamenti del calcolo delle probabilità e della statistica.

Conoscenza e capacità di comprensione

Alla fine del corso gli studenti conoscono e comprendono come formalizzare l’incertezza, descrivere quantitativamente le caratteristiche di una popolazione e come fare inferenza su parametri non noti.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione

Gli studenti apprendono come impostare un problema di probabilità o statistica.

Autonomia di giudizio

La discussione dei vari metodi fornisce agli studenti le capacità necessarie per analizzare criticamente, ed in autonomia, situazioni reali.

Abilità comunicativa

Gli studenti acquisiscono gli elementi di base per ragionare, e far ragionare, in termini quantitativi su problemi di incertezza e statistica.

Capacità di apprendimento

Gli studenti che superano l’esame sono in grado di applicare i metodi appresi in diversi contesti applicativi.

Modulo: INTRODUCTION TO BIOMEDICAL STATISTICS 1
Al termine del corso, gli studenti saranno in grado di orientarsi nell’ambiente di RStudio, scrivere ed eseguire script in R e comprendere la sintassi di base del linguaggio, i tipi di dato e le principali operazioni. Apprenderanno come importare dati da diverse fonti e come ispezionare, pulire e manipolare efficacemente i dataset utilizzando vari pacchetti, inclusa la gestione dei valori mancanti e la trasformazione delle variabili.

Gli studenti saranno inoltre in grado di calcolare e interpretare statistiche descrittive ed esplorare le distribuzioni dei dati mediante sintesi numeriche e strumenti di visualizzazione. Svilupperanno la capacità di creare rappresentazioni grafiche chiare e informative, personalizzando opportunamente i grafici per una comunicazione scientifica efficace.

In aggiunta, acquisiranno una conoscenza di base della probabilità e delle distribuzioni statistiche più comuni nel contesto biomedico, imparando a simulare dati e a valutare la normalità tramite grafici e test statistici. Saranno in grado di condurre analisi statistiche inferenziali di base, incluse test di ipotesi e costruzione di intervalli di confidenza, applicando quando opportuno metodi non parametrici.

Il corso affronterà anche l’analisi della correlazione e la regressione lineare semplice e multipla, consentendo agli studenti di analizzare le relazioni tra variabili, interpretare i risultati dei modelli e valutare le ipotesi sottostanti attraverso grafici e criteri diagnostici. Verranno inoltre introdotti i concetti fondamentali dell’analisi dei dati categorici, incluse le tabelle di contingenza, i test del chi-quadro e la stima del modello di regressione logistica per outcome binari.

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Syllabus

1. Descriptive statistics:

Introduction to statistics and descriptive statistics, subjects, population, census,

sample, sample survey, variable, classification of the variables, data matrix, frequency

distribution, relative frequency distribution, percentage frequency distribution,

introduction to location measures, mode, cumulative frequency distribution, relative

and percentage cumulative frequencies, median, quantiles, quartiles, deciles,

percentiles, mean value and its properties, partition of a numerical variable into

classes, histogram, box plot, pie chart and related variants, barplot, variability, range,

interquartile range, variance and its properties, standard deviation, coefficient of

variation, shape of a distribution, symmetric cases, positive and negative asymmetry,

standardization of a numerical variable, introduction to bivariate distribution and study

of association, joint frequencies, relative joint frequencies, conditional relative

frequencies, independence and perfect dependence between variables, chi-squared

index of association, scatter plot, Bravais-Pearson correlation coefficient and its

properties.

2. Probability calculus:

Introduction to probability calculus, experiment, sample space, events, event space,

sure and impossible events, Venn diagram, operations between events: intersection,

union, complement, distributive property of union and intersection, de Morgan rules,

relations between events: mutually exclusive events, exhaustive events, mutually

exhaustive events, inclusion, axioms of probability and their consequences, additive

rule, definitions of probability: classic, frequentist, subjective, conditional probability,

multiplicative rule, independence between events, drawings with and without

replacement, Bayes' theorem, definition of random variable, types of random variables,

probability distribution, probability mass function, density function, cumulative

distribution and its properties, expectation and its properties, variance and its

properties, standard deviation, standardization of a random variable, discrete uniform

distribution, Bernoulli distribution, Binomial distribution, uniform distribution, normal

distribution and its properties, standard normal distribution and use of the related

table, chi-squared distribution and use of the related table, Student's T distribution and

use of the related table, multivariate random variables, discrete and continuous

bivariate random variables, joint probability distribution, marginal probability

distributions, conditional probability distributions, independence of random variables,

expectation of a multivariate random variable, expectation and variance of a linear

combination of random variables, covariance and correlation between two random

variables.

3. Inferential statistics:

Introduction to statistical inference, population, parameter, simple random sampling,

simple random sample and its properties, observed sample, point estimation, interval

estimation, hypothesis testing, statistic and estimator, estimate, finite properties of an

estimator, unbiasedness, bias, mean square error, relative efficiency of an estimator,

asymptotic properties of an estimator, asymptotic unbiasedness, consistency,

convergence in distribution, central limit theorem, point estimation of the population

mean, point estimation of the population proportion, point estimation of the

population variance, unbiased sample variance and its properties, biased sample

variance and its properties, comparison of the mean square errors of the unbiased and

biased sample variances, confidence interval definition, pivotal quantity, confidence

interval for the mean of a normal population (with known and unknown variance),

approximate confidence interval for the mean of an arbitrary population and large

samples, approximated confidence interval for the population proportion and large

samples, confidence interval for the variance of a normal population, interpretation of

the confidence interval, introduction to hypothesis testing, definition of hypothesis,

null hypothesis and alternative hypothesis, simple and composite hypothesis,

one-sided and two-sided hypothesis, test, acceptance and rejection region, type I and type

II errors, significance level, confidence level and power of a test, test for the mean of a

normal population with known variance (with two-sided and one-sided alternative

hypothesis), test statistic, critical threshold, response of the test and its interpretation,

test for the mean of a normal population with unknown variance, test for the mean of

an arbitrary population and large samples, test for the population proportion and large

samples, test for population variance of a normal population, chi-squared test of

independence, p-value definition and computation, test for the difference of the means

of two normal populations with known variances, test for the difference of the means

of two normal populations with unknown equal variances, test for the difference of the

means of two arbitrary populations with unknown variances and large samples, test for

the difference of the proportions of two populations with large samples.

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L'esame consiste in una prova scritta, che richiede la risoluzione di esercizi pratici e teorici, e una una prova orale previo superamento della parte scritta, che può svolgersi nella stessa giornata o a distanza di pochi giorni.

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3. Agresti A, Franklin C and Klingenberg B (2020). Statistics: The Art and Science of Learning from Data. Pearson.

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This course is an introduction to chemistry fundamentals addressed to students with limited chemistry background. The purpose of the course is to provide students with the knowledge of general chemistry principles, and with the tools to solve simple chemistry problems. At the end of the course the students are expected to know ho to apply the acquired chemical concepts to different fields, including pharmaceutical chemistry and biochemistry which are the subjects of further courses. The course aims to provide a correct knowledge of the fundamental principles of organic chemistry, proposing the contents into two distinct phases that are closely and logically linked. In the first phase the teaching is addressed to provide basic knowledge about classification and nomenclature of organic compounds, about the symbolism used to represent both structures and reactions, as well as over the chemical-physics, acid-base, nucleophilic-electrophilic properties of the considered compounds. In the second phase the teaching is instead focused on the description of the different reactivity involved by different classes of compounds, rationalizing the study through the analysis of the relevant mechanisms. In the context of the described methodology the objectives to be achieved are: 1) attainment of a suitable degree of specialized knowledge, understood as the ability to invoke theories, rules, nomenclature etc.; 2) capacity to properly interpret and process the reaction schemes and propose alternatives to the encountered syntheses; 3) establish connections between different studied subjects.

ORGANIC AND INORGANIC CHEMISTRY 2
Modulo: ORGANIC AND INORGANIC CHEMISTRY 2
A-Richiami Di Chimica Di Base.

Configurazione elettronica degli elementi e regola dell’ottetto. Legame chimico: ionico e covalente (omopolare, polare e dativo). Legame polarizzato e polarità delle molecole. Carica formale e numero di ossidazione di atomi nei composti organici. Le reazioni di ossido-riduzione nella chimica organica. Orbitali atomici e molecolari (orbitali sigma e pigreco-generalizzati). Orbitali ibridi sp, sp2, sp3. Definizione di acido e di base secondo le teorie di Arrhenius, Bronsted-Lowry e Lewis. Forze intra- ed intermolecolari: legame ad idrogeno e di van der Waals. Scissione omolitica ed eterolitica di legami. Eterolisi dei legami al carbonio: formazione di carbocationi e carbanioni. Omolisi dei legami al carbonio: formazione di radicali liberi.

B- Struttura delle molecole organiche.

B1-Definizione (costituzione e stereochimica). Rappresentazione di molecole organiche mediante strutture di Lewis e Kekulè, sia in versione compatta che linea spigolo. Definizione di risonanza e regole per scrivere correttamente strutture di risonanza di molecole organiche. Gruppi funzionali ed eventuali proprietà elettrofile/nucleofile ad essi associate e trasmesse alla molecola di appartenenza.

B2-Stereochimica.

Simmetria molecolare: nozioni di base (asse proprio e improprio, piano di simmetria, centro di simmetria). Concetti essenziali riguardanti la stereochimica di molecole organiche. Classificazione: isomeria costituzionale e sterica. Diastereomeri ed enantiomeri. Differenze di natura conformazionale e configurazionale. Stereoisomeria ottica e geometrica. Chiralità molecolare ed elementi che la determinano (centri, assi e piani). Miscele racemiche. Descrittori di configurazione cis/trans, E/Z, R/S. Regole di priorità di Cahn-Ingold-Prelog. Rappresentazione di strutture mediante proiezioni di Fischer (regole per la loro corretta scrittura e manipolazione). Mesoforme. Epimeri. Attività ottica di molecole chirali. Configurazione relativa di centri asimmetrici: descrittori D/L. Cenni sulla risoluzione di enantiomeri.

C- Reazioni organiche e principali classi di composti organici.

Equazioni delle reazioni organiche. Tipologia di reazioni organiche (sostituzione, eliminazione, addizione). Rottura e formazione di legami (radicali, carbocationi, carbanioni). Energia di dissociazione di legame. Termodinamica (costante di equilibrio e cambiamenti di energia libera) [concetti introdotti durante le varie ore di lezione]

C1- Alcani e Cicloalcani. Struttura. Nomenclatura IUPAC. Nomi comuni. Proprietà fisiche. Isomeria conformazionale (etano, butano). Isomeria cis/trans nei cicloalcani. Approfondimenti sulla struttura del Cicloesano e dei suoi derivati: conformazioni a sedia e a barca, idrogeni e sostituenti nelle posizioni assiali ed equatoriali. Alogenazione di alcani. Meccanismo radicalico. Regioselettività della sostituzione. Stabilità di radicali alchilici.

C2- Alcheni. Struttura. Nomenclatura IUPAC. Isomeria: nomenclatura cis-trans ed E/Z. Addizione radicalica ai doppi legami. Reazioni di addizione elettrofila: acidi alogenidrici [ionica (carbocationi: struttura, stabilità)], acqua, alogeni.

C3- Alchini. Struttura. Nomenclatura IUPAC. Proprietà chimiche. Acidità degli alchini terminali. Reazioni di addizione elettrofila. Reazioni degli anioni acetiluro.

C4- Alogenoalcani. Struttura. Nomenclatura IUPAC. Reazioni di sostituzione nucleofila alifatica. Meccanismi SN2 e SN1 e loro competizione. Stereochimica delle sostituzioni nucleofile. Effetti della struttura del substrato, del nucleofilo, del gruppo uscente e del solvente. Reazioni di eliminazione. Meccanismi E2 ed E1. Competizione fra i meccanismi E1 ed E2. Regole di Zaitsev e di Hofmann. Competizione delle reazioni di eliminazione con quelle di sostituzione nucleofila alifatica.

C5- Benzene e derivati. Struttura. Nomenclatura IUPAC e proprietà del benzene e dei suoi derivati. Aromaticità. Energia di risonanza. Regola di Huckel. Composti eterociclici aromatici. Reazioni di sostituzione elettrofila aromatica (SEAr): alogenazione. Effetti induttivi e mesomerici e capacità attivante/disattivante e orientante di gruppi legati all’anello benzenico. Reattività ed orientamento.

C6- Alcoli ed Eteri. Struttura. Nomenclatura IUPAC. Proprietà fisiche e chimico-fisiche. Acidità e basicità. Reazioni degli alcoli e dei fenoli. Epossidi come caso particolare di eteri fortemente reattivi (carattere elettrofilo degli atomi di carbonio legati all’ossigeno).

C7. Ammine alifatiche e aromatiche. Struttura e legami. Nomenclatura IUPAC. Basicità.

C8- Aldeidi e Chetoni. Struttura. Nomenclatura IUPAC. Reazioni di addizione nucleofila: reattivi di Grignard, ioni idruro, ammine primarie e secondarie, acqua, alcoli. Addizione nucleofila a composti carbonilici α,β-insaturi.

C9- Acidi carbossilici e derivati. Struttura. Nomenclatura IUPAC. Costanti di acidità. Esteri. Idrolisi acida, saponificazione. Alogenuri degli acidi. Anidridi. Ammidi. Nitrili.

C10- Enoli e anioni enolato. Acidità degli idrogeni in α al gruppo carbonilico. Tautomeria cheto-enolica. Reattività di enoli e anioni enolato (reazioni di alogenazione in α, di condensazione aldolica e affini). Acidità dei composti β-dicarbonilici.

D- Biomolecole.

D1- Carboidrati e Acidi Nucleici

Introduzione, classificazione dei carboidrati, notazione D/L, configurazione di aldosi e chetosi. Proprietà chimiche dei monosaccaridi, evidenza della formazione di emiacetali ciclici (glucosio), stereochimica. Disaccaridi (cenni).

D2- Amminoacidi, peptidi, proteine

Introduzione, proprietà chimiche di amminoacidi, peptidi.

Modulo: ORGANIC AND INORGANIC CHEMISTRY 1
[3 hours]

Basic concepts of Stoichiometry: The atomic and mass number. Isotopes. The atomic mass and the atomic weight. Definition of molecule. The molecular weight. Ionic compounds. The mole. Empirical formula, molecular formula and structural formula. IUPAC nomenclature.

[2 hours]

Law of definite proportions. Law of conservation of mass. Chemical equations, stoichiometric coefficients. The limiting reactant concept.

[2 hours]

The atomic structure: The quantic numbers. The s, p, d, and f orbitals. The Aufbau principle. The ionization energy and the electron affinity.

[4 hours]

The chemical bonding: Octet rule. Ionic bond. Covalent bond. Electronegativity. Hybridization (sp3, sp2, sp, sp3d, sp3d2). Dative bond. VSEPR theory and molecular geometries. Intermolecular forces (Van der Waals, dispersion, hydrogen bond).

[2 hours]

The gaseous systems: The fundamental laws of gases: Boyle, Charles, gay-Lussac and Avogadro. The ideal gas law. Mixtures of not reactive gases. Dalton’s law.

[4 hours]

The oxidation number. Redox reactions and their balancing.

[3 hours]

Basic concepts of thermodynamics: Heat and work. The first thermodynamic law. Reversible and not reversible processes. Enthalpy. Hess’s law. Spontaneous processes and entropy. The second thermodynamic law. Free energy and Gibb’s Helmotz equation.

[2 hours]

Phase transitions: Phase transition. Vapor pressure. Clausius Clapeyron equation. Phase diagram.

[4 hours]

Solutions: Molarity, molality and molar fraction. Mass and volume percentages. Dilution and mixing. Themodynamics of solutions. The Raoult’s law. Colligative properties of solutions. Boiling point elevation, freezing point depression and osmotic pressure. Van’t Hoff coefficient.

[3 hours]

Chemical equilibrium: Mass action law. Le Chatelier principle. The concentration, pressure and temperature effects on the equilibrium. Homogeneous and heterogeneous equilibria.

[4 hours]

Acid-base equilibrium: Definitions of Bronsted-Lowry and Lewis. Acid halides and oxyacids. Acid strength. Autoionization of water. The pH scale. Calculation of the pH for a solution of: strong acid (base), weak acid (base). Alfa and dissociation degree.

[5 hours]

Acid-base properties of a salt solution. Buffered solution.

[2 hours]

Basic concepts of chemical kinetics: Reaction rate. Collision theory. Definition of transition state. Arrhenius equation. Catalysis.

[10 hours] Numerical exercises

Modulo: ORGANIC AND INORGANIC CHEMISTRY 2

• Blocco A. Richiami Di

Chimica Di Base (4 ore) Botta, B. Chimica organica essenziale. Seconda

edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018. ISBN 978-8846754000. Capitolo 1-2

• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.
• Blocco B- Struttura

delle molecole organiche. (4 ore) Botta, B. Chimica organica

essenziale. Seconda edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018. ISBN 978-8846754000. Capitolo

4

• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.
• Blocco C1-C3. Alcani e Cicloalcani, Alcheni e Alchini. (6 ore) Botta,

M. Chimica organica essenziale. Seconda edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018.

ISBN 978-8846754000. Capitolo 3,5, 6

• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.
• Blocco C4. Alogenoalcani. (4 ore) Botta, B. Chimica organica

essenziale. Seconda edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018. ISBN 978-8846754000. Capitolo

7

• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.
• Blocco C5. Benzene e derivati. (4 ore) Botta, B. Chimica organica

essenziale. Seconda edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018. ISBN 978-8846754000.

Capitolo 15,16

• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.
• Blocco C6. Alcoli ed Eteri. (2 ore) Botta, B. Chimica organica essenziale.

Seconda edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018. ISBN 978-8846754000. Capitolo 8,9

• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.
• Blocco C7. Ammine alifatiche e aromatiche. (2 ore) Botta, B. Chimica

organica essenziale. Seconda edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018. ISBN

978-8846754000. Capitolo 10,16

• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.
• Blocco C8. Aldeidi e Chetoni. (8 ore) Botta, B. Chimica organica

essenziale. Seconda edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018. ISBN 978-8846754000. Capitolo

11

• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.
• Blocco C9. Acidi Carbossilici e Derivati. (8 ore) Botta, B. Chimica

organica essenziale. Seconda edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018. ISBN

978-8846754000. Capitolo 12

• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.
• Blocco C10. Enoli ed Enolati. (2 ore) Botta, B. Chimica organica

essenziale. Seconda edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018. ISBN 978-8846754000. Capitolo

13

• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.
• Blocco D. Biomolecole (4 ore) Botta, B. Chimica organica essenziale. Seconda edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018. ISBN 978-8846754000. Capitolo 17-19
• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.

Modulo: ORGANIC AND INORGANIC CHEMISTRY 1

• Settimana 1- Incertezze

nelle misure. Principi del calcolo stechiometrico

• Testi di riferimento: Chemistry and Introductory Biochemistry- capitolo 1. Slides docente.
• Settimana 2-3. Struttura atomica e tavola periodica. Legame chimico
• Testi di riferimento: Chemistry and Introductory Biochemistry- capitolo 2
• Settimana 4. Nomenclatura e bilanciamento redox.
• Testi di riferimento: Chemistry and Introductory Biochemistry- capitolo 3. Slides docente.
• Settimana 5. Stato gassoso.
• Testi di riferimento: Chemistry and Introductory Biochemistry- capitolo 4. Slides docente.
• Settimana 6. Cenni di termodinamica e termochimica.
• Testi di riferimento: Chemistry and Introductory Biochemistry- capitolo 5. Slides docente.
• Settimana 7. Transizioni di fase e soluzioni.
• Testi di riferimento: Chemistry and Introductory Biochemistry- capitolo 6. Slides docente.
• Settimana 8. Equilibrio chimico.
• Testi di riferimento: Chemistry and Introductory Biochemistry- capitolo 7. Slides docente.
• Settimana 9. Equilibri acido-base.
• Testi di riferimento: Chemistry and Introductory Biochemistry- capitolo 8. Slides docente.
• Settimana 10. Cinetica chimica.
• Testi di riferimento: Chemistry and Introductory Biochemistry- capitolo 10. Slides docente.

ORGANIC AND INORGANIC CHEMISTRY 1
Modulo: ORGANIC AND INORGANIC CHEMISTRY 2
A-Richiami Di Chimica Di Base.

Configurazione elettronica degli elementi e regola dell’ottetto. Legame chimico: ionico e covalente (omopolare, polare e dativo). Legame polarizzato e polarità delle molecole. Carica formale e numero di ossidazione di atomi nei composti organici. Le reazioni di ossido-riduzione nella chimica organica. Orbitali atomici e molecolari (orbitali sigma e pigreco-generalizzati). Orbitali ibridi sp, sp2, sp3. Definizione di acido e di base secondo le teorie di Arrhenius, Bronsted-Lowry e Lewis. Forze intra- ed intermolecolari: legame ad idrogeno e di van der Waals. Scissione omolitica ed eterolitica di legami. Eterolisi dei legami al carbonio: formazione di carbocationi e carbanioni. Omolisi dei legami al carbonio: formazione di radicali liberi.

B- Struttura delle molecole organiche.

B1-Definizione (costituzione e stereochimica). Rappresentazione di molecole organiche mediante strutture di Lewis e Kekulè, sia in versione compatta che linea spigolo. Definizione di risonanza e regole per scrivere correttamente strutture di risonanza di molecole organiche. Gruppi funzionali ed eventuali proprietà elettrofile/nucleofile ad essi associate e trasmesse alla molecola di appartenenza.

B2-Stereochimica.

Simmetria molecolare: nozioni di base (asse proprio e improprio, piano di simmetria, centro di simmetria). Concetti essenziali riguardanti la stereochimica di molecole organiche. Classificazione: isomeria costituzionale e sterica. Diastereomeri ed enantiomeri. Differenze di natura conformazionale e configurazionale. Stereoisomeria ottica e geometrica. Chiralità molecolare ed elementi che la determinano (centri, assi e piani). Miscele racemiche. Descrittori di configurazione cis/trans, E/Z, R/S. Regole di priorità di Cahn-Ingold-Prelog. Rappresentazione di strutture mediante proiezioni di Fischer (regole per la loro corretta scrittura e manipolazione). Mesoforme. Epimeri. Attività ottica di molecole chirali. Configurazione relativa di centri asimmetrici: descrittori D/L. Cenni sulla risoluzione di enantiomeri.

C- Reazioni organiche e principali classi di composti organici.

Equazioni delle reazioni organiche. Tipologia di reazioni organiche (sostituzione, eliminazione, addizione). Rottura e formazione di legami (radicali, carbocationi, carbanioni). Energia di dissociazione di legame. Termodinamica (costante di equilibrio e cambiamenti di energia libera) [concetti introdotti durante le varie ore di lezione]

C1- Alcani e Cicloalcani. Struttura. Nomenclatura IUPAC. Nomi comuni. Proprietà fisiche. Isomeria conformazionale (etano, butano). Isomeria cis/trans nei cicloalcani. Approfondimenti sulla struttura del Cicloesano e dei suoi derivati: conformazioni a sedia e a barca, idrogeni e sostituenti nelle posizioni assiali ed equatoriali. Alogenazione di alcani. Meccanismo radicalico. Regioselettività della sostituzione. Stabilità di radicali alchilici.

C2- Alcheni. Struttura. Nomenclatura IUPAC. Isomeria: nomenclatura cis-trans ed E/Z. Addizione radicalica ai doppi legami. Reazioni di addizione elettrofila: acidi alogenidrici [ionica (carbocationi: struttura, stabilità)], acqua, alogeni.

C3- Alchini. Struttura. Nomenclatura IUPAC. Proprietà chimiche. Acidità degli alchini terminali. Reazioni di addizione elettrofila. Reazioni degli anioni acetiluro.

C4- Alogenoalcani. Struttura. Nomenclatura IUPAC. Reazioni di sostituzione nucleofila alifatica. Meccanismi SN2 e SN1 e loro competizione. Stereochimica delle sostituzioni nucleofile. Effetti della struttura del substrato, del nucleofilo, del gruppo uscente e del solvente. Reazioni di eliminazione. Meccanismi E2 ed E1. Competizione fra i meccanismi E1 ed E2. Regole di Zaitsev e di Hofmann. Competizione delle reazioni di eliminazione con quelle di sostituzione nucleofila alifatica.

C5- Benzene e derivati. Struttura. Nomenclatura IUPAC e proprietà del benzene e dei suoi derivati. Aromaticità. Energia di risonanza. Regola di Huckel. Composti eterociclici aromatici. Reazioni di sostituzione elettrofila aromatica (SEAr): alogenazione. Effetti induttivi e mesomerici e capacità attivante/disattivante e orientante di gruppi legati all’anello benzenico. Reattività ed orientamento.

C6- Alcoli ed Eteri. Struttura. Nomenclatura IUPAC. Proprietà fisiche e chimico-fisiche. Acidità e basicità. Reazioni degli alcoli e dei fenoli. Epossidi come caso particolare di eteri fortemente reattivi (carattere elettrofilo degli atomi di carbonio legati all’ossigeno).

C7. Ammine alifatiche e aromatiche. Struttura e legami. Nomenclatura IUPAC. Basicità.

C8- Aldeidi e Chetoni. Struttura. Nomenclatura IUPAC. Reazioni di addizione nucleofila: reattivi di Grignard, ioni idruro, ammine primarie e secondarie, acqua, alcoli. Addizione nucleofila a composti carbonilici α,β-insaturi.

C9- Acidi carbossilici e derivati. Struttura. Nomenclatura IUPAC. Costanti di acidità. Esteri. Idrolisi acida, saponificazione. Alogenuri degli acidi. Anidridi. Ammidi. Nitrili.

C10- Enoli e anioni enolato. Acidità degli idrogeni in α al gruppo carbonilico. Tautomeria cheto-enolica. Reattività di enoli e anioni enolato (reazioni di alogenazione in α, di condensazione aldolica e affini). Acidità dei composti β-dicarbonilici.

D- Biomolecole.

D1- Carboidrati e Acidi Nucleici

Introduzione, classificazione dei carboidrati, notazione D/L, configurazione di aldosi e chetosi. Proprietà chimiche dei monosaccaridi, evidenza della formazione di emiacetali ciclici (glucosio), stereochimica. Disaccaridi (cenni).

D2- Amminoacidi, peptidi, proteine

Introduzione, proprietà chimiche di amminoacidi, peptidi.

Modulo: ORGANIC AND INORGANIC CHEMISTRY 1
[3 hours]

Basic concepts of Stoichiometry: The atomic and mass number. Isotopes. The atomic mass and the atomic weight. Definition of molecule. The molecular weight. Ionic compounds. The mole. Empirical formula, molecular formula and structural formula. IUPAC nomenclature.

[2 hours]

Law of definite proportions. Law of conservation of mass. Chemical equations, stoichiometric coefficients. The limiting reactant concept.

[2 hours]

The atomic structure: The quantic numbers. The s, p, d, and f orbitals. The Aufbau principle. The ionization energy and the electron affinity.

[4 hours]

The chemical bonding: Octet rule. Ionic bond. Covalent bond. Electronegativity. Hybridization (sp3, sp2, sp, sp3d, sp3d2). Dative bond. VSEPR theory and molecular geometries. Intermolecular forces (Van der Waals, dispersion, hydrogen bond).

[2 hours]

The gaseous systems: The fundamental laws of gases: Boyle, Charles, gay-Lussac and Avogadro. The ideal gas law. Mixtures of not reactive gases. Dalton’s law.

[4 hours]

The oxidation number. Redox reactions and their balancing.

[3 hours]

Basic concepts of thermodynamics: Heat and work. The first thermodynamic law. Reversible and not reversible processes. Enthalpy. Hess’s law. Spontaneous processes and entropy. The second thermodynamic law. Free energy and Gibb’s Helmotz equation.

[2 hours]

Phase transitions: Phase transition. Vapor pressure. Clausius Clapeyron equation. Phase diagram.

[4 hours]

Solutions: Molarity, molality and molar fraction. Mass and volume percentages. Dilution and mixing. Themodynamics of solutions. The Raoult’s law. Colligative properties of solutions. Boiling point elevation, freezing point depression and osmotic pressure. Van’t Hoff coefficient.

[3 hours]

Chemical equilibrium: Mass action law. Le Chatelier principle. The concentration, pressure and temperature effects on the equilibrium. Homogeneous and heterogeneous equilibria.

[4 hours]

Acid-base equilibrium: Definitions of Bronsted-Lowry and Lewis. Acid halides and oxyacids. Acid strength. Autoionization of water. The pH scale. Calculation of the pH for a solution of: strong acid (base), weak acid (base). Alfa and dissociation degree.

[5 hours]

Acid-base properties of a salt solution. Buffered solution.

[2 hours]

Basic concepts of chemical kinetics: Reaction rate. Collision theory. Definition of transition state. Arrhenius equation. Catalysis.

[10 hours] Numerical exercises

Modulo: ORGANIC AND INORGANIC CHEMISTRY 2

• Blocco A. Richiami Di

Chimica Di Base (4 ore) Botta, B. Chimica organica essenziale. Seconda

edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018. ISBN 978-8846754000. Capitolo 1-2

• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.
• Blocco B- Struttura

delle molecole organiche. (4 ore) Botta, B. Chimica organica

essenziale. Seconda edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018. ISBN 978-8846754000. Capitolo

4

• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.
• Blocco C1-C3. Alcani e Cicloalcani, Alcheni e Alchini. (6 ore) Botta,

M. Chimica organica essenziale. Seconda edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018.

ISBN 978-8846754000. Capitolo 3,5, 6

• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.
• Blocco C4. Alogenoalcani. (4 ore) Botta, B. Chimica organica

essenziale. Seconda edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018. ISBN 978-8846754000. Capitolo

7

• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.
• Blocco C5. Benzene e derivati. (4 ore) Botta, B. Chimica organica

essenziale. Seconda edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018. ISBN 978-8846754000.

Capitolo 15,16

• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.
• Blocco C6. Alcoli ed Eteri. (2 ore) Botta, B. Chimica organica essenziale.

Seconda edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018. ISBN 978-8846754000. Capitolo 8,9

• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.
• Blocco C7. Ammine alifatiche e aromatiche. (2 ore) Botta, B. Chimica

organica essenziale. Seconda edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018. ISBN

978-8846754000. Capitolo 10,16

• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.
• Blocco C8. Aldeidi e Chetoni. (8 ore) Botta, B. Chimica organica

essenziale. Seconda edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018. ISBN 978-8846754000. Capitolo

11

• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.
• Blocco C9. Acidi Carbossilici e Derivati. (8 ore) Botta, B. Chimica

organica essenziale. Seconda edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018. ISBN

978-8846754000. Capitolo 12

• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.
• Blocco C10. Enoli ed Enolati. (2 ore) Botta, B. Chimica organica

essenziale. Seconda edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018. ISBN 978-8846754000. Capitolo

13

• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.
• Blocco D. Biomolecole (4 ore) Botta, B. Chimica organica essenziale. Seconda edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018. ISBN 978-8846754000. Capitolo 17-19
• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.

Modulo: ORGANIC AND INORGANIC CHEMISTRY 1

• Settimana 1- Incertezze

nelle misure. Principi del calcolo stechiometrico

• Testi di riferimento: Chemistry and Introductory Biochemistry- capitolo 1. Slides docente.
• Settimana 2-3. Struttura atomica e tavola periodica. Legame chimico
• Testi di riferimento: Chemistry and Introductory Biochemistry- capitolo 2
• Settimana 4. Nomenclatura e bilanciamento redox.
• Testi di riferimento: Chemistry and Introductory Biochemistry- capitolo 3. Slides docente.
• Settimana 5. Stato gassoso.
• Testi di riferimento: Chemistry and Introductory Biochemistry- capitolo 4. Slides docente.
• Settimana 6. Cenni di termodinamica e termochimica.
• Testi di riferimento: Chemistry and Introductory Biochemistry- capitolo 5. Slides docente.
• Settimana 7. Transizioni di fase e soluzioni.
• Testi di riferimento: Chemistry and Introductory Biochemistry- capitolo 6. Slides docente.
• Settimana 8. Equilibrio chimico.
• Testi di riferimento: Chemistry and Introductory Biochemistry- capitolo 7. Slides docente.
• Settimana 9. Equilibri acido-base.
• Testi di riferimento: Chemistry and Introductory Biochemistry- capitolo 8. Slides docente.
• Settimana 10. Cinetica chimica.
• Testi di riferimento: Chemistry and Introductory Biochemistry- capitolo 10. Slides docente.

ORGANIC AND INORGANIC CHEMISTRY 2
Il modulo di Chimica Inorganica richiede il superamento di una prova scritta seguita da un esame orale.

La prova scritta include esercizi numerici che coprono i principali argomenti del corso. È richiesto un punteggio minimo di 18/30 nella prova scritta per accedere all'esame orale.

L'esame orale valuta la comprensione teorica dello studente, la capacità di utilizzare un'appropriata terminologia scientifica e la competenza nel risolvere problemi stechiometrici di base. L’esame di Organic Chemistry consiste di una prova orale finalizzata a valutare la preparazione dello studente sull'intero programma, la chiarezza espositiva e la capacità di collegare e ragionare criticamente sui vari argomenti trattati a lezione.

Il voto finale si basa sui risultati di entrambe le prove. Non c'è un limite massimo al numero di tentativi d'esame che possono essere sostenuti durante l'anno accademico.

ORGANIC AND INORGANIC CHEMISTRY 1
Il modulo di Chimica Inorganica richiede il superamento di una prova scritta seguita da un esame orale.

La prova scritta include esercizi numerici che coprono i principali argomenti del corso. È richiesto un punteggio minimo di 18/30 nella prova scritta per accedere all'esame orale.

L'esame orale valuta la comprensione teorica dello studente, la capacità di utilizzare un'appropriata terminologia scientifica e la competenza nel risolvere problemi stechiometrici di base. L’esame di Organic Chemistry consiste di una prova orale finalizzata a valutare la preparazione dello studente sull'intero programma, la chiarezza espositiva e la capacità di collegare e ragionare criticamente sui vari argomenti trattati a lezione.

Il voto finale si basa sui risultati di entrambe le prove. Non c'è un limite massimo al numero di tentativi d'esame che possono essere sostenuti durante l'anno accademico.

ORGANIC AND INORGANIC CHEMISTRY 2
Modulo: ORGANIC AND INORGANIC CHEMISTRY 2
B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.

in alternativa:

W. H. Brown “Chimica Organica” Ed. Edises 2010

J. Mc Murry “Organic Chemistry” Ninth Edition, Piccin 2017

Modulo: ORGANIC AND INORGANIC CHEMISTRY 1
Theory "Chemistry and Introductory Biochemistry", by Maccarrone - Di Ilio - Fasciglione - Lanzalunga - Nocca - Speranza. Edizioni A.L.E.

Exercises "Foundations of General Chemistry and Introductory Biochemistry: a Problem-Solving Approach", by Fasciglione. Edizione A.L.E.

Modulo: ORGANIC AND INORGANIC CHEMISTRY 2
N/D
Modulo: ORGANIC AND INORGANIC CHEMISTRY 1
N/D

ORGANIC AND INORGANIC CHEMISTRY 1
Modulo: ORGANIC AND INORGANIC CHEMISTRY 2
B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.

in alternativa:

W. H. Brown “Chimica Organica” Ed. Edises 2010

J. Mc Murry “Organic Chemistry” Ninth Edition, Piccin 2017

Modulo: ORGANIC AND INORGANIC CHEMISTRY 1
Theory "Chemistry and Introductory Biochemistry", by Maccarrone - Di Ilio - Fasciglione - Lanzalunga - Nocca - Speranza. Edizioni A.L.E.

Exercises "Foundations of General Chemistry and Introductory Biochemistry: a Problem-Solving Approach", by Fasciglione. Edizione A.L.E.

Modulo: ORGANIC AND INORGANIC CHEMISTRY 2
N/D
Modulo: ORGANIC AND INORGANIC CHEMISTRY 1
N/D

This course is an introduction to chemistry fundamentals addressed to students with limited chemistry background. The purpose of the course is to provide students with the knowledge of general chemistry principles, and with the tools to solve simple chemistry problems. At the end of the course the students are expected to know ho to apply the acquired chemical concepts to different fields, including pharmaceutical chemistry and biochemistry which are the subjects of further courses.

The course aims to provide a correct knowledge of the fundamental principles of organic chemistry, proposing the contents into two distinct phases that are closely and logically linked. In the first phase the teaching is addressed to provide basic knowledge about classification and nomenclature of organic compounds, about the symbolism used to represent both structures and reactions, as well as over the chemical-physics, acid-base, nucleophilic-electrophilic properties of the considered compounds. In the second phase the teaching is instead focused on the description of the different reactivity involved by different classes of compounds, rationalizing the study through the analysis of the relevant mechanisms. In the context of the described methodology the objectives to be achieved are: 1) attainment of a suitable degree of specialized knowledge, understood as the ability to invoke theories, rules, nomenclature etc.; 2) capacity to properly interpret and process the reaction schemes and propose alternatives to the encountered syntheses; 3) establish connections between different studied subjects.

Questo insegnamento fornisce i fondamenti della chimica generale e organica, introducendo gli studenti ai concetti fondamentali che saranno applicati in modo più approfondito negli anni successivi secondo lo specifico focus del corso di laurea.

RISULTATI DI APPRENDIMENTO ATTESI

Conoscenza e capacità di comprensione: Al termine dell'insegnamento, lo studente avrà acquisito una solida comprensione dei principi fondamentali della chimica generale, con particolare attenzione alla struttura atomica, ai legami chimici, alle proprietà periodiche degli elementi, alle reazioni di ossidoriduzione, agli equilibri chimici, alle reazioni acido-base e alla cinetica chimica. Lo studente sarà in grado di riconoscere le caratteristiche dei composti inorganici e di comprendere i meccanismi alla base degli equilibri chimici e delle reazioni in soluzione acquosa, elementi essenziali per l'interpretazione dei processi biologici. Nella parte di chimica organica, lo studente acquisirà la capacità di identificare i principali gruppi funzionali e di comprendere le relazioni tra struttura molecolare e proprietà chimico-fisiche delle biomolecole, sviluppando competenze specifiche nella nomenclatura e nella rappresentazione delle molecole organiche rilevanti per la bioinformatica. Lo studente acquisirà consapevolezza delle interconnessioni tra le diverse proprietà chimiche e fisiche delle molecole e le condizioni in cui tali proprietà vengono attivate o inibite, con particolare attenzione ai meccanismi di reazione, alla stereoselettività e alla regioselettività.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione: Lo studente sarà capace di applicare i principi termodinamici e cinetici per prevedere la spontaneità e la velocità delle reazioni chimiche. Lo studente saprà riconoscere le diverse tipologie di reazioni e prevedere la reattività di sistemi inorganici. Per quanto riguarda la chimica organica, lo studente dimostrerà la capacità di analizzare le strutture tridimensionali delle molecole organiche, di prevedere la reattività dei diversi gruppi funzionali e di comprendere i meccanismi di reazione. Al termine del corso, gli studenti avranno sviluppato una consapevolezza fondamentale dei principi chimici e delle reazioni che permetterà loro di affrontare con maggiore sicurezza e competenza i corsi successivi di biochimica e chimica farmaceutica.

Autonomia di giudizio: Lo studente svilupperà capacità critiche nell'analisi delle proprietà chimiche dei composti inorganici e organici, valutando autonomamente la rilevanza delle informazioni chimiche. Sarà in grado di discriminare tra diverse rappresentazioni strutturali e di selezionare le fonti più appropriate per l'approfondimento di tematiche chimiche legate ai sistemi biologici. Durante le lezioni, il pensiero critico e la capacità di giudizio degli studenti vengono stimolati attraverso la partecipazione attiva, sia rispondendo alle domande del docente sia attraverso attività di problem-solving collettivo in classe che affrontano questioni realistiche che possono presentarsi in laboratorio.

Abilità comunicative: Lo studente acquisirà la capacità di comunicare concetti di chimica generale e organica utilizzando appropriata terminologia scientifica, rappresentando correttamente strutture molecolari e descrivendo meccanismi di reazione in modo chiaro e rigoroso, sia in forma scritta che orale, in contesti multidisciplinari tipici della bioinformatica. Queste competenze emergono durante i momenti interattivi delle lezioni e culminano nell'esame finale, dove agli studenti viene richiesto di risolvere esercizi di stechiometria e di spiegare il ragionamento logico alla base delle loro risposte.

Capacità di apprendimento: Lo studente svilupperà competenze per integrare le conoscenze chimiche acquisite con le altre discipline del corso di laurea, aggiornando costantemente le proprie competenze nell'ambito dell'interfaccia tra chimica e bioinformatica. Gli studenti sono incoraggiati a studiare in modo autonomo, facendo riferimento ai libri di testo consigliati così come al materiale fornito dai docenti.

Modulo: ORGANIC AND INORGANIC CHEMISTRY 2
A-Richiami Di Chimica Di Base.

Configurazione elettronica degli elementi e regola dell’ottetto. Legame chimico: ionico e covalente (omopolare, polare e dativo). Legame polarizzato e polarità delle molecole. Carica formale e numero di ossidazione di atomi nei composti organici. Le reazioni di ossido-riduzione nella chimica organica. Orbitali atomici e molecolari (orbitali sigma e pigreco-generalizzati). Orbitali ibridi sp, sp2, sp3. Definizione di acido e di base secondo le teorie di Arrhenius, Bronsted-Lowry e Lewis. Forze intra- ed intermolecolari: legame ad idrogeno e di van der Waals. Scissione omolitica ed eterolitica di legami. Eterolisi dei legami al carbonio: formazione di carbocationi e carbanioni. Omolisi dei legami al carbonio: formazione di radicali liberi.

B- Struttura delle molecole organiche.

B1-Definizione (costituzione e stereochimica). Rappresentazione di molecole organiche mediante strutture di Lewis e Kekulè, sia in versione compatta che linea spigolo. Definizione di risonanza e regole per scrivere correttamente strutture di risonanza di molecole organiche. Gruppi funzionali ed eventuali proprietà elettrofile/nucleofile ad essi associate e trasmesse alla molecola di appartenenza.

B2-Stereochimica.

Simmetria molecolare: nozioni di base (asse proprio e improprio, piano di simmetria, centro di simmetria). Concetti essenziali riguardanti la stereochimica di molecole organiche. Classificazione: isomeria costituzionale e sterica. Diastereomeri ed enantiomeri. Differenze di natura conformazionale e configurazionale. Stereoisomeria ottica e geometrica. Chiralità molecolare ed elementi che la determinano (centri, assi e piani). Miscele racemiche. Descrittori di configurazione cis/trans, E/Z, R/S. Regole di priorità di Cahn-Ingold-Prelog. Rappresentazione di strutture mediante proiezioni di Fischer (regole per la loro corretta scrittura e manipolazione). Mesoforme. Epimeri. Attività ottica di molecole chirali. Configurazione relativa di centri asimmetrici: descrittori D/L. Cenni sulla risoluzione di enantiomeri.

C- Reazioni organiche e principali classi di composti organici.

Equazioni delle reazioni organiche. Tipologia di reazioni organiche (sostituzione, eliminazione, addizione). Rottura e formazione di legami (radicali, carbocationi, carbanioni). Energia di dissociazione di legame. Termodinamica (costante di equilibrio e cambiamenti di energia libera) [concetti introdotti durante le varie ore di lezione]

C1- Alcani e Cicloalcani. Struttura. Nomenclatura IUPAC. Nomi comuni. Proprietà fisiche. Isomeria conformazionale (etano, butano). Isomeria cis/trans nei cicloalcani. Approfondimenti sulla struttura del Cicloesano e dei suoi derivati: conformazioni a sedia e a barca, idrogeni e sostituenti nelle posizioni assiali ed equatoriali. Alogenazione di alcani. Meccanismo radicalico. Regioselettività della sostituzione. Stabilità di radicali alchilici.

C2- Alcheni. Struttura. Nomenclatura IUPAC. Isomeria: nomenclatura cis-trans ed E/Z. Addizione radicalica ai doppi legami. Reazioni di addizione elettrofila: acidi alogenidrici [ionica (carbocationi: struttura, stabilità)], acqua, alogeni.

C3- Alchini. Struttura. Nomenclatura IUPAC. Proprietà chimiche. Acidità degli alchini terminali. Reazioni di addizione elettrofila. Reazioni degli anioni acetiluro.

C4- Alogenoalcani. Struttura. Nomenclatura IUPAC. Reazioni di sostituzione nucleofila alifatica. Meccanismi SN2 e SN1 e loro competizione. Stereochimica delle sostituzioni nucleofile. Effetti della struttura del substrato, del nucleofilo, del gruppo uscente e del solvente. Reazioni di eliminazione. Meccanismi E2 ed E1. Competizione fra i meccanismi E1 ed E2. Regole di Zaitsev e di Hofmann. Competizione delle reazioni di eliminazione con quelle di sostituzione nucleofila alifatica.

C5- Benzene e derivati. Struttura. Nomenclatura IUPAC e proprietà del benzene e dei suoi derivati. Aromaticità. Energia di risonanza. Regola di Huckel. Composti eterociclici aromatici. Reazioni di sostituzione elettrofila aromatica (SEAr): alogenazione. Effetti induttivi e mesomerici e capacità attivante/disattivante e orientante di gruppi legati all’anello benzenico. Reattività ed orientamento.

C6- Alcoli ed Eteri. Struttura. Nomenclatura IUPAC. Proprietà fisiche e chimico-fisiche. Acidità e basicità. Reazioni degli alcoli e dei fenoli. Epossidi come caso particolare di eteri fortemente reattivi (carattere elettrofilo degli atomi di carbonio legati all’ossigeno).

C7. Ammine alifatiche e aromatiche. Struttura e legami. Nomenclatura IUPAC. Basicità.

C8- Aldeidi e Chetoni. Struttura. Nomenclatura IUPAC. Reazioni di addizione nucleofila: reattivi di Grignard, ioni idruro, ammine primarie e secondarie, acqua, alcoli. Addizione nucleofila a composti carbonilici α,β-insaturi.

C9- Acidi carbossilici e derivati. Struttura. Nomenclatura IUPAC. Costanti di acidità. Esteri. Idrolisi acida, saponificazione. Alogenuri degli acidi. Anidridi. Ammidi. Nitrili.

C10- Enoli e anioni enolato. Acidità degli idrogeni in α al gruppo carbonilico. Tautomeria cheto-enolica. Reattività di enoli e anioni enolato (reazioni di alogenazione in α, di condensazione aldolica e affini). Acidità dei composti β-dicarbonilici.

D- Biomolecole.

D1- Carboidrati e Acidi Nucleici

Introduzione, classificazione dei carboidrati, notazione D/L, configurazione di aldosi e chetosi. Proprietà chimiche dei monosaccaridi, evidenza della formazione di emiacetali ciclici (glucosio), stereochimica. Disaccaridi (cenni).

D2- Amminoacidi, peptidi, proteine

Introduzione, proprietà chimiche di amminoacidi, peptidi.

Modulo: ORGANIC AND INORGANIC CHEMISTRY 1
[3 hours]

Basic concepts of Stoichiometry: The atomic and mass number. Isotopes. The atomic mass and the atomic weight. Definition of molecule. The molecular weight. Ionic compounds. The mole. Empirical formula, molecular formula and structural formula. IUPAC nomenclature.

[2 hours]

Law of definite proportions. Law of conservation of mass. Chemical equations, stoichiometric coefficients. The limiting reactant concept.

[2 hours]

The atomic structure: The quantic numbers. The s, p, d, and f orbitals. The Aufbau principle. The ionization energy and the electron affinity.

[4 hours]

The chemical bonding: Octet rule. Ionic bond. Covalent bond. Electronegativity. Hybridization (sp3, sp2, sp, sp3d, sp3d2). Dative bond. VSEPR theory and molecular geometries. Intermolecular forces (Van der Waals, dispersion, hydrogen bond).

[2 hours]

The gaseous systems: The fundamental laws of gases: Boyle, Charles, gay-Lussac and Avogadro. The ideal gas law. Mixtures of not reactive gases. Dalton’s law.

[4 hours]

The oxidation number. Redox reactions and their balancing.

[3 hours]

Basic concepts of thermodynamics: Heat and work. The first thermodynamic law. Reversible and not reversible processes. Enthalpy. Hess’s law. Spontaneous processes and entropy. The second thermodynamic law. Free energy and Gibb’s Helmotz equation.

[2 hours]

Phase transitions: Phase transition. Vapor pressure. Clausius Clapeyron equation. Phase diagram.

[4 hours]

Solutions: Molarity, molality and molar fraction. Mass and volume percentages. Dilution and mixing. Themodynamics of solutions. The Raoult’s law. Colligative properties of solutions. Boiling point elevation, freezing point depression and osmotic pressure. Van’t Hoff coefficient.

[3 hours]

Chemical equilibrium: Mass action law. Le Chatelier principle. The concentration, pressure and temperature effects on the equilibrium. Homogeneous and heterogeneous equilibria.

[4 hours]

Acid-base equilibrium: Definitions of Bronsted-Lowry and Lewis. Acid halides and oxyacids. Acid strength. Autoionization of water. The pH scale. Calculation of the pH for a solution of: strong acid (base), weak acid (base). Alfa and dissociation degree.

[5 hours]

Acid-base properties of a salt solution. Buffered solution.

[2 hours]

Basic concepts of chemical kinetics: Reaction rate. Collision theory. Definition of transition state. Arrhenius equation. Catalysis.

[10 hours] Numerical exercises

Modulo: ORGANIC AND INORGANIC CHEMISTRY 2

• Blocco A. Richiami Di

Chimica Di Base (4 ore) Botta, B. Chimica organica essenziale. Seconda

edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018. ISBN 978-8846754000. Capitolo 1-2

• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.
• Blocco B- Struttura

delle molecole organiche. (4 ore) Botta, B. Chimica organica

essenziale. Seconda edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018. ISBN 978-8846754000. Capitolo

4

• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.
• Blocco C1-C3. Alcani e Cicloalcani, Alcheni e Alchini. (6 ore) Botta,

M. Chimica organica essenziale. Seconda edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018.

ISBN 978-8846754000. Capitolo 3,5, 6

• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.
• Blocco C4. Alogenoalcani. (4 ore) Botta, B. Chimica organica

essenziale. Seconda edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018. ISBN 978-8846754000. Capitolo

7

• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.
• Blocco C5. Benzene e derivati. (4 ore) Botta, B. Chimica organica

essenziale. Seconda edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018. ISBN 978-8846754000.

Capitolo 15,16

• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.
• Blocco C6. Alcoli ed Eteri. (2 ore) Botta, B. Chimica organica essenziale.

Seconda edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018. ISBN 978-8846754000. Capitolo 8,9

• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.
• Blocco C7. Ammine alifatiche e aromatiche. (2 ore) Botta, B. Chimica

organica essenziale. Seconda edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018. ISBN

978-8846754000. Capitolo 10,16

• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.
• Blocco C8. Aldeidi e Chetoni. (8 ore) Botta, B. Chimica organica

essenziale. Seconda edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018. ISBN 978-8846754000. Capitolo

11

• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.
• Blocco C9. Acidi Carbossilici e Derivati. (8 ore) Botta, B. Chimica

organica essenziale. Seconda edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018. ISBN

978-8846754000. Capitolo 12

• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.
• Blocco C10. Enoli ed Enolati. (2 ore) Botta, B. Chimica organica

essenziale. Seconda edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018. ISBN 978-8846754000. Capitolo

13

• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.
• Blocco D. Biomolecole (4 ore) Botta, B. Chimica organica essenziale. Seconda edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018. ISBN 978-8846754000. Capitolo 17-19
• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.

Modulo: ORGANIC AND INORGANIC CHEMISTRY 1

• Settimana 1- Incertezze

nelle misure. Principi del calcolo stechiometrico

• Testi di riferimento: Chemistry and Introductory Biochemistry- capitolo 1. Slides docente.
• Settimana 2-3. Struttura atomica e tavola periodica. Legame chimico
• Testi di riferimento: Chemistry and Introductory Biochemistry- capitolo 2
• Settimana 4. Nomenclatura e bilanciamento redox.
• Testi di riferimento: Chemistry and Introductory Biochemistry- capitolo 3. Slides docente.
• Settimana 5. Stato gassoso.
• Testi di riferimento: Chemistry and Introductory Biochemistry- capitolo 4. Slides docente.
• Settimana 6. Cenni di termodinamica e termochimica.
• Testi di riferimento: Chemistry and Introductory Biochemistry- capitolo 5. Slides docente.
• Settimana 7. Transizioni di fase e soluzioni.
• Testi di riferimento: Chemistry and Introductory Biochemistry- capitolo 6. Slides docente.
• Settimana 8. Equilibrio chimico.
• Testi di riferimento: Chemistry and Introductory Biochemistry- capitolo 7. Slides docente.
• Settimana 9. Equilibri acido-base.
• Testi di riferimento: Chemistry and Introductory Biochemistry- capitolo 8. Slides docente.
• Settimana 10. Cinetica chimica.
• Testi di riferimento: Chemistry and Introductory Biochemistry- capitolo 10. Slides docente.

Il modulo di Chimica Inorganica richiede il superamento di una prova scritta seguita da un esame orale.

La prova scritta include esercizi numerici che coprono i principali argomenti del corso. È richiesto un punteggio minimo di 18/30 nella prova scritta per accedere all'esame orale.

L'esame orale valuta la comprensione teorica dello studente, la capacità di utilizzare un'appropriata terminologia scientifica e la competenza nel risolvere problemi stechiometrici di base. L’esame di Organic Chemistry consiste di una prova orale finalizzata a valutare la preparazione dello studente sull'intero programma, la chiarezza espositiva e la capacità di collegare e ragionare criticamente sui vari argomenti trattati a lezione.

Il voto finale si basa sui risultati di entrambe le prove. Non c'è un limite massimo al numero di tentativi d'esame che possono essere sostenuti durante l'anno accademico.

Modulo: ORGANIC AND INORGANIC CHEMISTRY 2
B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.

in alternativa:

W. H. Brown “Chimica Organica” Ed. Edises 2010

J. Mc Murry “Organic Chemistry” Ninth Edition, Piccin 2017

Modulo: ORGANIC AND INORGANIC CHEMISTRY 1
Theory "Chemistry and Introductory Biochemistry", by Maccarrone - Di Ilio - Fasciglione - Lanzalunga - Nocca - Speranza. Edizioni A.L.E.

Exercises "Foundations of General Chemistry and Introductory Biochemistry: a Problem-Solving Approach", by Fasciglione. Edizione A.L.E.

Modulo: ORGANIC AND INORGANIC CHEMISTRY 2
N/D
Modulo: ORGANIC AND INORGANIC CHEMISTRY 1
N/D

This course is an introduction to chemistry fundamentals addressed to students with limited chemistry background. The purpose of the course is to provide students with the knowledge of general chemistry principles, and with the tools to solve simple chemistry problems. At the end of the course the students are expected to know ho to apply the acquired chemical concepts to different fields, including pharmaceutical chemistry and biochemistry which are the subjects of further courses.

The course aims to provide a correct knowledge of the fundamental principles of organic chemistry, proposing the contents into two distinct phases that are closely and logically linked. In the first phase the teaching is addressed to provide basic knowledge about classification and nomenclature of organic compounds, about the symbolism used to represent both structures and reactions, as well as over the chemical-physics, acid-base, nucleophilic-electrophilic properties of the considered compounds. In the second phase the teaching is instead focused on the description of the different reactivity involved by different classes of compounds, rationalizing the study through the analysis of the relevant mechanisms. In the context of the described methodology the objectives to be achieved are: 1) attainment of a suitable degree of specialized knowledge, understood as the ability to invoke theories, rules, nomenclature etc.; 2) capacity to properly interpret and process the reaction schemes and propose alternatives to the encountered syntheses; 3) establish connections between different studied subjects.

Questo insegnamento fornisce i fondamenti della chimica generale e organica, introducendo gli studenti ai concetti fondamentali che saranno applicati in modo più approfondito negli anni successivi secondo lo specifico focus del corso di laurea.

RISULTATI DI APPRENDIMENTO ATTESI

Conoscenza e capacità di comprensione: Al termine dell'insegnamento, lo studente avrà acquisito una solida comprensione dei principi fondamentali della chimica generale, con particolare attenzione alla struttura atomica, ai legami chimici, alle proprietà periodiche degli elementi, alle reazioni di ossidoriduzione, agli equilibri chimici, alle reazioni acido-base e alla cinetica chimica. Lo studente sarà in grado di riconoscere le caratteristiche dei composti inorganici e di comprendere i meccanismi alla base degli equilibri chimici e delle reazioni in soluzione acquosa, elementi essenziali per l'interpretazione dei processi biologici. Nella parte di chimica organica, lo studente acquisirà la capacità di identificare i principali gruppi funzionali e di comprendere le relazioni tra struttura molecolare e proprietà chimico-fisiche delle biomolecole, sviluppando competenze specifiche nella nomenclatura e nella rappresentazione delle molecole organiche rilevanti per la bioinformatica. Lo studente acquisirà consapevolezza delle interconnessioni tra le diverse proprietà chimiche e fisiche delle molecole e le condizioni in cui tali proprietà vengono attivate o inibite, con particolare attenzione ai meccanismi di reazione, alla stereoselettività e alla regioselettività.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione: Lo studente sarà capace di applicare i principi termodinamici e cinetici per prevedere la spontaneità e la velocità delle reazioni chimiche. Lo studente saprà riconoscere le diverse tipologie di reazioni e prevedere la reattività di sistemi inorganici. Per quanto riguarda la chimica organica, lo studente dimostrerà la capacità di analizzare le strutture tridimensionali delle molecole organiche, di prevedere la reattività dei diversi gruppi funzionali e di comprendere i meccanismi di reazione. Al termine del corso, gli studenti avranno sviluppato una consapevolezza fondamentale dei principi chimici e delle reazioni che permetterà loro di affrontare con maggiore sicurezza e competenza i corsi successivi di biochimica e chimica farmaceutica.

Autonomia di giudizio: Lo studente svilupperà capacità critiche nell'analisi delle proprietà chimiche dei composti inorganici e organici, valutando autonomamente la rilevanza delle informazioni chimiche. Sarà in grado di discriminare tra diverse rappresentazioni strutturali e di selezionare le fonti più appropriate per l'approfondimento di tematiche chimiche legate ai sistemi biologici. Durante le lezioni, il pensiero critico e la capacità di giudizio degli studenti vengono stimolati attraverso la partecipazione attiva, sia rispondendo alle domande del docente sia attraverso attività di problem-solving collettivo in classe che affrontano questioni realistiche che possono presentarsi in laboratorio.

Abilità comunicative: Lo studente acquisirà la capacità di comunicare concetti di chimica generale e organica utilizzando appropriata terminologia scientifica, rappresentando correttamente strutture molecolari e descrivendo meccanismi di reazione in modo chiaro e rigoroso, sia in forma scritta che orale, in contesti multidisciplinari tipici della bioinformatica. Queste competenze emergono durante i momenti interattivi delle lezioni e culminano nell'esame finale, dove agli studenti viene richiesto di risolvere esercizi di stechiometria e di spiegare il ragionamento logico alla base delle loro risposte.

Capacità di apprendimento: Lo studente svilupperà competenze per integrare le conoscenze chimiche acquisite con le altre discipline del corso di laurea, aggiornando costantemente le proprie competenze nell'ambito dell'interfaccia tra chimica e bioinformatica. Gli studenti sono incoraggiati a studiare in modo autonomo, facendo riferimento ai libri di testo consigliati così come al materiale fornito dai docenti.

Modulo: ORGANIC AND INORGANIC CHEMISTRY 2
A-Richiami Di Chimica Di Base.

Configurazione elettronica degli elementi e regola dell’ottetto. Legame chimico: ionico e covalente (omopolare, polare e dativo). Legame polarizzato e polarità delle molecole. Carica formale e numero di ossidazione di atomi nei composti organici. Le reazioni di ossido-riduzione nella chimica organica. Orbitali atomici e molecolari (orbitali sigma e pigreco-generalizzati). Orbitali ibridi sp, sp2, sp3. Definizione di acido e di base secondo le teorie di Arrhenius, Bronsted-Lowry e Lewis. Forze intra- ed intermolecolari: legame ad idrogeno e di van der Waals. Scissione omolitica ed eterolitica di legami. Eterolisi dei legami al carbonio: formazione di carbocationi e carbanioni. Omolisi dei legami al carbonio: formazione di radicali liberi.

B- Struttura delle molecole organiche.

B1-Definizione (costituzione e stereochimica). Rappresentazione di molecole organiche mediante strutture di Lewis e Kekulè, sia in versione compatta che linea spigolo. Definizione di risonanza e regole per scrivere correttamente strutture di risonanza di molecole organiche. Gruppi funzionali ed eventuali proprietà elettrofile/nucleofile ad essi associate e trasmesse alla molecola di appartenenza.

B2-Stereochimica.

Simmetria molecolare: nozioni di base (asse proprio e improprio, piano di simmetria, centro di simmetria). Concetti essenziali riguardanti la stereochimica di molecole organiche. Classificazione: isomeria costituzionale e sterica. Diastereomeri ed enantiomeri. Differenze di natura conformazionale e configurazionale. Stereoisomeria ottica e geometrica. Chiralità molecolare ed elementi che la determinano (centri, assi e piani). Miscele racemiche. Descrittori di configurazione cis/trans, E/Z, R/S. Regole di priorità di Cahn-Ingold-Prelog. Rappresentazione di strutture mediante proiezioni di Fischer (regole per la loro corretta scrittura e manipolazione). Mesoforme. Epimeri. Attività ottica di molecole chirali. Configurazione relativa di centri asimmetrici: descrittori D/L. Cenni sulla risoluzione di enantiomeri.

C- Reazioni organiche e principali classi di composti organici.

Equazioni delle reazioni organiche. Tipologia di reazioni organiche (sostituzione, eliminazione, addizione). Rottura e formazione di legami (radicali, carbocationi, carbanioni). Energia di dissociazione di legame. Termodinamica (costante di equilibrio e cambiamenti di energia libera) [concetti introdotti durante le varie ore di lezione]

C1- Alcani e Cicloalcani. Struttura. Nomenclatura IUPAC. Nomi comuni. Proprietà fisiche. Isomeria conformazionale (etano, butano). Isomeria cis/trans nei cicloalcani. Approfondimenti sulla struttura del Cicloesano e dei suoi derivati: conformazioni a sedia e a barca, idrogeni e sostituenti nelle posizioni assiali ed equatoriali. Alogenazione di alcani. Meccanismo radicalico. Regioselettività della sostituzione. Stabilità di radicali alchilici.

C2- Alcheni. Struttura. Nomenclatura IUPAC. Isomeria: nomenclatura cis-trans ed E/Z. Addizione radicalica ai doppi legami. Reazioni di addizione elettrofila: acidi alogenidrici [ionica (carbocationi: struttura, stabilità)], acqua, alogeni.

C3- Alchini. Struttura. Nomenclatura IUPAC. Proprietà chimiche. Acidità degli alchini terminali. Reazioni di addizione elettrofila. Reazioni degli anioni acetiluro.

C4- Alogenoalcani. Struttura. Nomenclatura IUPAC. Reazioni di sostituzione nucleofila alifatica. Meccanismi SN2 e SN1 e loro competizione. Stereochimica delle sostituzioni nucleofile. Effetti della struttura del substrato, del nucleofilo, del gruppo uscente e del solvente. Reazioni di eliminazione. Meccanismi E2 ed E1. Competizione fra i meccanismi E1 ed E2. Regole di Zaitsev e di Hofmann. Competizione delle reazioni di eliminazione con quelle di sostituzione nucleofila alifatica.

C5- Benzene e derivati. Struttura. Nomenclatura IUPAC e proprietà del benzene e dei suoi derivati. Aromaticità. Energia di risonanza. Regola di Huckel. Composti eterociclici aromatici. Reazioni di sostituzione elettrofila aromatica (SEAr): alogenazione. Effetti induttivi e mesomerici e capacità attivante/disattivante e orientante di gruppi legati all’anello benzenico. Reattività ed orientamento.

C6- Alcoli ed Eteri. Struttura. Nomenclatura IUPAC. Proprietà fisiche e chimico-fisiche. Acidità e basicità. Reazioni degli alcoli e dei fenoli. Epossidi come caso particolare di eteri fortemente reattivi (carattere elettrofilo degli atomi di carbonio legati all’ossigeno).

C7. Ammine alifatiche e aromatiche. Struttura e legami. Nomenclatura IUPAC. Basicità.

C8- Aldeidi e Chetoni. Struttura. Nomenclatura IUPAC. Reazioni di addizione nucleofila: reattivi di Grignard, ioni idruro, ammine primarie e secondarie, acqua, alcoli. Addizione nucleofila a composti carbonilici α,β-insaturi.

C9- Acidi carbossilici e derivati. Struttura. Nomenclatura IUPAC. Costanti di acidità. Esteri. Idrolisi acida, saponificazione. Alogenuri degli acidi. Anidridi. Ammidi. Nitrili.

C10- Enoli e anioni enolato. Acidità degli idrogeni in α al gruppo carbonilico. Tautomeria cheto-enolica. Reattività di enoli e anioni enolato (reazioni di alogenazione in α, di condensazione aldolica e affini). Acidità dei composti β-dicarbonilici.

D- Biomolecole.

D1- Carboidrati e Acidi Nucleici

Introduzione, classificazione dei carboidrati, notazione D/L, configurazione di aldosi e chetosi. Proprietà chimiche dei monosaccaridi, evidenza della formazione di emiacetali ciclici (glucosio), stereochimica. Disaccaridi (cenni).

D2- Amminoacidi, peptidi, proteine

Introduzione, proprietà chimiche di amminoacidi, peptidi.

Modulo: ORGANIC AND INORGANIC CHEMISTRY 1
[3 hours]

Basic concepts of Stoichiometry: The atomic and mass number. Isotopes. The atomic mass and the atomic weight. Definition of molecule. The molecular weight. Ionic compounds. The mole. Empirical formula, molecular formula and structural formula. IUPAC nomenclature.

[2 hours]

Law of definite proportions. Law of conservation of mass. Chemical equations, stoichiometric coefficients. The limiting reactant concept.

[2 hours]

The atomic structure: The quantic numbers. The s, p, d, and f orbitals. The Aufbau principle. The ionization energy and the electron affinity.

[4 hours]

The chemical bonding: Octet rule. Ionic bond. Covalent bond. Electronegativity. Hybridization (sp3, sp2, sp, sp3d, sp3d2). Dative bond. VSEPR theory and molecular geometries. Intermolecular forces (Van der Waals, dispersion, hydrogen bond).

[2 hours]

The gaseous systems: The fundamental laws of gases: Boyle, Charles, gay-Lussac and Avogadro. The ideal gas law. Mixtures of not reactive gases. Dalton’s law.

[4 hours]

The oxidation number. Redox reactions and their balancing.

[3 hours]

Basic concepts of thermodynamics: Heat and work. The first thermodynamic law. Reversible and not reversible processes. Enthalpy. Hess’s law. Spontaneous processes and entropy. The second thermodynamic law. Free energy and Gibb’s Helmotz equation.

[2 hours]

Phase transitions: Phase transition. Vapor pressure. Clausius Clapeyron equation. Phase diagram.

[4 hours]

Solutions: Molarity, molality and molar fraction. Mass and volume percentages. Dilution and mixing. Themodynamics of solutions. The Raoult’s law. Colligative properties of solutions. Boiling point elevation, freezing point depression and osmotic pressure. Van’t Hoff coefficient.

[3 hours]

Chemical equilibrium: Mass action law. Le Chatelier principle. The concentration, pressure and temperature effects on the equilibrium. Homogeneous and heterogeneous equilibria.

[4 hours]

Acid-base equilibrium: Definitions of Bronsted-Lowry and Lewis. Acid halides and oxyacids. Acid strength. Autoionization of water. The pH scale. Calculation of the pH for a solution of: strong acid (base), weak acid (base). Alfa and dissociation degree.

[5 hours]

Acid-base properties of a salt solution. Buffered solution.

[2 hours]

Basic concepts of chemical kinetics: Reaction rate. Collision theory. Definition of transition state. Arrhenius equation. Catalysis.

[10 hours] Numerical exercises

Modulo: ORGANIC AND INORGANIC CHEMISTRY 2

• Blocco A. Richiami Di

Chimica Di Base (4 ore) Botta, B. Chimica organica essenziale. Seconda

edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018. ISBN 978-8846754000. Capitolo 1-2

• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.
• Blocco B- Struttura

delle molecole organiche. (4 ore) Botta, B. Chimica organica

essenziale. Seconda edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018. ISBN 978-8846754000. Capitolo

4

• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.
• Blocco C1-C3. Alcani e Cicloalcani, Alcheni e Alchini. (6 ore) Botta,

M. Chimica organica essenziale. Seconda edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018.

ISBN 978-8846754000. Capitolo 3,5, 6

• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.
• Blocco C4. Alogenoalcani. (4 ore) Botta, B. Chimica organica

essenziale. Seconda edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018. ISBN 978-8846754000. Capitolo

7

• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.
• Blocco C5. Benzene e derivati. (4 ore) Botta, B. Chimica organica

essenziale. Seconda edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018. ISBN 978-8846754000.

Capitolo 15,16

• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.
• Blocco C6. Alcoli ed Eteri. (2 ore) Botta, B. Chimica organica essenziale.

Seconda edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018. ISBN 978-8846754000. Capitolo 8,9

• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.
• Blocco C7. Ammine alifatiche e aromatiche. (2 ore) Botta, B. Chimica

organica essenziale. Seconda edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018. ISBN

978-8846754000. Capitolo 10,16

• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.
• Blocco C8. Aldeidi e Chetoni. (8 ore) Botta, B. Chimica organica

essenziale. Seconda edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018. ISBN 978-8846754000. Capitolo

11

• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.
• Blocco C9. Acidi Carbossilici e Derivati. (8 ore) Botta, B. Chimica

organica essenziale. Seconda edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018. ISBN

978-8846754000. Capitolo 12

• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.
• Blocco C10. Enoli ed Enolati. (2 ore) Botta, B. Chimica organica

essenziale. Seconda edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018. ISBN 978-8846754000. Capitolo

13

• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.
• Blocco D. Biomolecole (4 ore) Botta, B. Chimica organica essenziale. Seconda edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018. ISBN 978-8846754000. Capitolo 17-19
• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.

Modulo: ORGANIC AND INORGANIC CHEMISTRY 1

• Settimana 1- Incertezze

nelle misure. Principi del calcolo stechiometrico

• Testi di riferimento: Chemistry and Introductory Biochemistry- capitolo 1. Slides docente.
• Settimana 2-3. Struttura atomica e tavola periodica. Legame chimico
• Testi di riferimento: Chemistry and Introductory Biochemistry- capitolo 2
• Settimana 4. Nomenclatura e bilanciamento redox.
• Testi di riferimento: Chemistry and Introductory Biochemistry- capitolo 3. Slides docente.
• Settimana 5. Stato gassoso.
• Testi di riferimento: Chemistry and Introductory Biochemistry- capitolo 4. Slides docente.
• Settimana 6. Cenni di termodinamica e termochimica.
• Testi di riferimento: Chemistry and Introductory Biochemistry- capitolo 5. Slides docente.
• Settimana 7. Transizioni di fase e soluzioni.
• Testi di riferimento: Chemistry and Introductory Biochemistry- capitolo 6. Slides docente.
• Settimana 8. Equilibrio chimico.
• Testi di riferimento: Chemistry and Introductory Biochemistry- capitolo 7. Slides docente.
• Settimana 9. Equilibri acido-base.
• Testi di riferimento: Chemistry and Introductory Biochemistry- capitolo 8. Slides docente.
• Settimana 10. Cinetica chimica.
• Testi di riferimento: Chemistry and Introductory Biochemistry- capitolo 10. Slides docente.

Il modulo di Chimica Inorganica richiede il superamento di una prova scritta seguita da un esame orale.

La prova scritta include esercizi numerici che coprono i principali argomenti del corso. È richiesto un punteggio minimo di 18/30 nella prova scritta per accedere all'esame orale.

L'esame orale valuta la comprensione teorica dello studente, la capacità di utilizzare un'appropriata terminologia scientifica e la competenza nel risolvere problemi stechiometrici di base. L’esame di Organic Chemistry consiste di una prova orale finalizzata a valutare la preparazione dello studente sull'intero programma, la chiarezza espositiva e la capacità di collegare e ragionare criticamente sui vari argomenti trattati a lezione.

Il voto finale si basa sui risultati di entrambe le prove. Non c'è un limite massimo al numero di tentativi d'esame che possono essere sostenuti durante l'anno accademico.

Modulo: ORGANIC AND INORGANIC CHEMISTRY 2
B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.

in alternativa:

W. H. Brown “Chimica Organica” Ed. Edises 2010

J. Mc Murry “Organic Chemistry” Ninth Edition, Piccin 2017

Modulo: ORGANIC AND INORGANIC CHEMISTRY 1
Theory "Chemistry and Introductory Biochemistry", by Maccarrone - Di Ilio - Fasciglione - Lanzalunga - Nocca - Speranza. Edizioni A.L.E.

Exercises "Foundations of General Chemistry and Introductory Biochemistry: a Problem-Solving Approach", by Fasciglione. Edizione A.L.E.

Modulo: ORGANIC AND INORGANIC CHEMISTRY 2
N/D
Modulo: ORGANIC AND INORGANIC CHEMISTRY 1
N/D

This course is an introduction to chemistry fundamentals addressed to students with limited chemistry background. The purpose of the course is to provide students with the knowledge of general chemistry principles, and with the tools to solve simple chemistry problems. At the end of the course the students are expected to know ho to apply the acquired chemical concepts to different fields, including pharmaceutical chemistry and biochemistry which are the subjects of further courses.

The course aims to provide a correct knowledge of the fundamental principles of organic chemistry, proposing the contents into two distinct phases that are closely and logically linked. In the first phase the teaching is addressed to provide basic knowledge about classification and nomenclature of organic compounds, about the symbolism used to represent both structures and reactions, as well as over the chemical-physics, acid-base, nucleophilic-electrophilic properties of the considered compounds. In the second phase the teaching is instead focused on the description of the different reactivity involved by different classes of compounds, rationalizing the study through the analysis of the relevant mechanisms. In the context of the described methodology the objectives to be achieved are: 1) attainment of a suitable degree of specialized knowledge, understood as the ability to invoke theories, rules, nomenclature etc.; 2) capacity to properly interpret and process the reaction schemes and propose alternatives to the encountered syntheses; 3) establish connections between different studied subjects.

Questo insegnamento fornisce i fondamenti della chimica generale e organica, introducendo gli studenti ai concetti fondamentali che saranno applicati in modo più approfondito negli anni successivi secondo lo specifico focus del corso di laurea.

RISULTATI DI APPRENDIMENTO ATTESI

Conoscenza e capacità di comprensione: Al termine dell'insegnamento, lo studente avrà acquisito una solida comprensione dei principi fondamentali della chimica generale, con particolare attenzione alla struttura atomica, ai legami chimici, alle proprietà periodiche degli elementi, alle reazioni di ossidoriduzione, agli equilibri chimici, alle reazioni acido-base e alla cinetica chimica. Lo studente sarà in grado di riconoscere le caratteristiche dei composti inorganici e di comprendere i meccanismi alla base degli equilibri chimici e delle reazioni in soluzione acquosa, elementi essenziali per l'interpretazione dei processi biologici. Nella parte di chimica organica, lo studente acquisirà la capacità di identificare i principali gruppi funzionali e di comprendere le relazioni tra struttura molecolare e proprietà chimico-fisiche delle biomolecole, sviluppando competenze specifiche nella nomenclatura e nella rappresentazione delle molecole organiche rilevanti per la bioinformatica. Lo studente acquisirà consapevolezza delle interconnessioni tra le diverse proprietà chimiche e fisiche delle molecole e le condizioni in cui tali proprietà vengono attivate o inibite, con particolare attenzione ai meccanismi di reazione, alla stereoselettività e alla regioselettività.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione: Lo studente sarà capace di applicare i principi termodinamici e cinetici per prevedere la spontaneità e la velocità delle reazioni chimiche. Lo studente saprà riconoscere le diverse tipologie di reazioni e prevedere la reattività di sistemi inorganici. Per quanto riguarda la chimica organica, lo studente dimostrerà la capacità di analizzare le strutture tridimensionali delle molecole organiche, di prevedere la reattività dei diversi gruppi funzionali e di comprendere i meccanismi di reazione. Al termine del corso, gli studenti avranno sviluppato una consapevolezza fondamentale dei principi chimici e delle reazioni che permetterà loro di affrontare con maggiore sicurezza e competenza i corsi successivi di biochimica e chimica farmaceutica.

Autonomia di giudizio: Lo studente svilupperà capacità critiche nell'analisi delle proprietà chimiche dei composti inorganici e organici, valutando autonomamente la rilevanza delle informazioni chimiche. Sarà in grado di discriminare tra diverse rappresentazioni strutturali e di selezionare le fonti più appropriate per l'approfondimento di tematiche chimiche legate ai sistemi biologici. Durante le lezioni, il pensiero critico e la capacità di giudizio degli studenti vengono stimolati attraverso la partecipazione attiva, sia rispondendo alle domande del docente sia attraverso attività di problem-solving collettivo in classe che affrontano questioni realistiche che possono presentarsi in laboratorio.

Abilità comunicative: Lo studente acquisirà la capacità di comunicare concetti di chimica generale e organica utilizzando appropriata terminologia scientifica, rappresentando correttamente strutture molecolari e descrivendo meccanismi di reazione in modo chiaro e rigoroso, sia in forma scritta che orale, in contesti multidisciplinari tipici della bioinformatica. Queste competenze emergono durante i momenti interattivi delle lezioni e culminano nell'esame finale, dove agli studenti viene richiesto di risolvere esercizi di stechiometria e di spiegare il ragionamento logico alla base delle loro risposte.

Capacità di apprendimento: Lo studente svilupperà competenze per integrare le conoscenze chimiche acquisite con le altre discipline del corso di laurea, aggiornando costantemente le proprie competenze nell'ambito dell'interfaccia tra chimica e bioinformatica. Gli studenti sono incoraggiati a studiare in modo autonomo, facendo riferimento ai libri di testo consigliati così come al materiale fornito dai docenti.

Modulo: ORGANIC AND INORGANIC CHEMISTRY 2
A-Richiami Di Chimica Di Base.

Configurazione elettronica degli elementi e regola dell’ottetto. Legame chimico: ionico e covalente (omopolare, polare e dativo). Legame polarizzato e polarità delle molecole. Carica formale e numero di ossidazione di atomi nei composti organici. Le reazioni di ossido-riduzione nella chimica organica. Orbitali atomici e molecolari (orbitali sigma e pigreco-generalizzati). Orbitali ibridi sp, sp2, sp3. Definizione di acido e di base secondo le teorie di Arrhenius, Bronsted-Lowry e Lewis. Forze intra- ed intermolecolari: legame ad idrogeno e di van der Waals. Scissione omolitica ed eterolitica di legami. Eterolisi dei legami al carbonio: formazione di carbocationi e carbanioni. Omolisi dei legami al carbonio: formazione di radicali liberi.

B- Struttura delle molecole organiche.

B1-Definizione (costituzione e stereochimica). Rappresentazione di molecole organiche mediante strutture di Lewis e Kekulè, sia in versione compatta che linea spigolo. Definizione di risonanza e regole per scrivere correttamente strutture di risonanza di molecole organiche. Gruppi funzionali ed eventuali proprietà elettrofile/nucleofile ad essi associate e trasmesse alla molecola di appartenenza.

B2-Stereochimica.

Simmetria molecolare: nozioni di base (asse proprio e improprio, piano di simmetria, centro di simmetria). Concetti essenziali riguardanti la stereochimica di molecole organiche. Classificazione: isomeria costituzionale e sterica. Diastereomeri ed enantiomeri. Differenze di natura conformazionale e configurazionale. Stereoisomeria ottica e geometrica. Chiralità molecolare ed elementi che la determinano (centri, assi e piani). Miscele racemiche. Descrittori di configurazione cis/trans, E/Z, R/S. Regole di priorità di Cahn-Ingold-Prelog. Rappresentazione di strutture mediante proiezioni di Fischer (regole per la loro corretta scrittura e manipolazione). Mesoforme. Epimeri. Attività ottica di molecole chirali. Configurazione relativa di centri asimmetrici: descrittori D/L. Cenni sulla risoluzione di enantiomeri.

C- Reazioni organiche e principali classi di composti organici.

Equazioni delle reazioni organiche. Tipologia di reazioni organiche (sostituzione, eliminazione, addizione). Rottura e formazione di legami (radicali, carbocationi, carbanioni). Energia di dissociazione di legame. Termodinamica (costante di equilibrio e cambiamenti di energia libera) [concetti introdotti durante le varie ore di lezione]

C1- Alcani e Cicloalcani. Struttura. Nomenclatura IUPAC. Nomi comuni. Proprietà fisiche. Isomeria conformazionale (etano, butano). Isomeria cis/trans nei cicloalcani. Approfondimenti sulla struttura del Cicloesano e dei suoi derivati: conformazioni a sedia e a barca, idrogeni e sostituenti nelle posizioni assiali ed equatoriali. Alogenazione di alcani. Meccanismo radicalico. Regioselettività della sostituzione. Stabilità di radicali alchilici.

C2- Alcheni. Struttura. Nomenclatura IUPAC. Isomeria: nomenclatura cis-trans ed E/Z. Addizione radicalica ai doppi legami. Reazioni di addizione elettrofila: acidi alogenidrici [ionica (carbocationi: struttura, stabilità)], acqua, alogeni.

C3- Alchini. Struttura. Nomenclatura IUPAC. Proprietà chimiche. Acidità degli alchini terminali. Reazioni di addizione elettrofila. Reazioni degli anioni acetiluro.

C4- Alogenoalcani. Struttura. Nomenclatura IUPAC. Reazioni di sostituzione nucleofila alifatica. Meccanismi SN2 e SN1 e loro competizione. Stereochimica delle sostituzioni nucleofile. Effetti della struttura del substrato, del nucleofilo, del gruppo uscente e del solvente. Reazioni di eliminazione. Meccanismi E2 ed E1. Competizione fra i meccanismi E1 ed E2. Regole di Zaitsev e di Hofmann. Competizione delle reazioni di eliminazione con quelle di sostituzione nucleofila alifatica.

C5- Benzene e derivati. Struttura. Nomenclatura IUPAC e proprietà del benzene e dei suoi derivati. Aromaticità. Energia di risonanza. Regola di Huckel. Composti eterociclici aromatici. Reazioni di sostituzione elettrofila aromatica (SEAr): alogenazione. Effetti induttivi e mesomerici e capacità attivante/disattivante e orientante di gruppi legati all’anello benzenico. Reattività ed orientamento.

C6- Alcoli ed Eteri. Struttura. Nomenclatura IUPAC. Proprietà fisiche e chimico-fisiche. Acidità e basicità. Reazioni degli alcoli e dei fenoli. Epossidi come caso particolare di eteri fortemente reattivi (carattere elettrofilo degli atomi di carbonio legati all’ossigeno).

C7. Ammine alifatiche e aromatiche. Struttura e legami. Nomenclatura IUPAC. Basicità.

C8- Aldeidi e Chetoni. Struttura. Nomenclatura IUPAC. Reazioni di addizione nucleofila: reattivi di Grignard, ioni idruro, ammine primarie e secondarie, acqua, alcoli. Addizione nucleofila a composti carbonilici α,β-insaturi.

C9- Acidi carbossilici e derivati. Struttura. Nomenclatura IUPAC. Costanti di acidità. Esteri. Idrolisi acida, saponificazione. Alogenuri degli acidi. Anidridi. Ammidi. Nitrili.

C10- Enoli e anioni enolato. Acidità degli idrogeni in α al gruppo carbonilico. Tautomeria cheto-enolica. Reattività di enoli e anioni enolato (reazioni di alogenazione in α, di condensazione aldolica e affini). Acidità dei composti β-dicarbonilici.

D- Biomolecole.

D1- Carboidrati e Acidi Nucleici

Introduzione, classificazione dei carboidrati, notazione D/L, configurazione di aldosi e chetosi. Proprietà chimiche dei monosaccaridi, evidenza della formazione di emiacetali ciclici (glucosio), stereochimica. Disaccaridi (cenni).

D2- Amminoacidi, peptidi, proteine

Introduzione, proprietà chimiche di amminoacidi, peptidi.

Modulo: ORGANIC AND INORGANIC CHEMISTRY 1
[3 hours]

Basic concepts of Stoichiometry: The atomic and mass number. Isotopes. The atomic mass and the atomic weight. Definition of molecule. The molecular weight. Ionic compounds. The mole. Empirical formula, molecular formula and structural formula. IUPAC nomenclature.

[2 hours]

Law of definite proportions. Law of conservation of mass. Chemical equations, stoichiometric coefficients. The limiting reactant concept.

[2 hours]

The atomic structure: The quantic numbers. The s, p, d, and f orbitals. The Aufbau principle. The ionization energy and the electron affinity.

[4 hours]

The chemical bonding: Octet rule. Ionic bond. Covalent bond. Electronegativity. Hybridization (sp3, sp2, sp, sp3d, sp3d2). Dative bond. VSEPR theory and molecular geometries. Intermolecular forces (Van der Waals, dispersion, hydrogen bond).

[2 hours]

The gaseous systems: The fundamental laws of gases: Boyle, Charles, gay-Lussac and Avogadro. The ideal gas law. Mixtures of not reactive gases. Dalton’s law.

[4 hours]

The oxidation number. Redox reactions and their balancing.

[3 hours]

Basic concepts of thermodynamics: Heat and work. The first thermodynamic law. Reversible and not reversible processes. Enthalpy. Hess’s law. Spontaneous processes and entropy. The second thermodynamic law. Free energy and Gibb’s Helmotz equation.

[2 hours]

Phase transitions: Phase transition. Vapor pressure. Clausius Clapeyron equation. Phase diagram.

[4 hours]

Solutions: Molarity, molality and molar fraction. Mass and volume percentages. Dilution and mixing. Themodynamics of solutions. The Raoult’s law. Colligative properties of solutions. Boiling point elevation, freezing point depression and osmotic pressure. Van’t Hoff coefficient.

[3 hours]

Chemical equilibrium: Mass action law. Le Chatelier principle. The concentration, pressure and temperature effects on the equilibrium. Homogeneous and heterogeneous equilibria.

[4 hours]

Acid-base equilibrium: Definitions of Bronsted-Lowry and Lewis. Acid halides and oxyacids. Acid strength. Autoionization of water. The pH scale. Calculation of the pH for a solution of: strong acid (base), weak acid (base). Alfa and dissociation degree.

[5 hours]

Acid-base properties of a salt solution. Buffered solution.

[2 hours]

Basic concepts of chemical kinetics: Reaction rate. Collision theory. Definition of transition state. Arrhenius equation. Catalysis.

[10 hours] Numerical exercises

Modulo: ORGANIC AND INORGANIC CHEMISTRY 2

• Blocco A. Richiami Di

Chimica Di Base (4 ore) Botta, B. Chimica organica essenziale. Seconda

edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018. ISBN 978-8846754000. Capitolo 1-2

• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.
• Blocco B- Struttura

delle molecole organiche. (4 ore) Botta, B. Chimica organica

essenziale. Seconda edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018. ISBN 978-8846754000. Capitolo

4

• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.
• Blocco C1-C3. Alcani e Cicloalcani, Alcheni e Alchini. (6 ore) Botta,

M. Chimica organica essenziale. Seconda edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018.

ISBN 978-8846754000. Capitolo 3,5, 6

• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.
• Blocco C4. Alogenoalcani. (4 ore) Botta, B. Chimica organica

essenziale. Seconda edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018. ISBN 978-8846754000. Capitolo

7

• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.
• Blocco C5. Benzene e derivati. (4 ore) Botta, B. Chimica organica

essenziale. Seconda edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018. ISBN 978-8846754000.

Capitolo 15,16

• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.
• Blocco C6. Alcoli ed Eteri. (2 ore) Botta, B. Chimica organica essenziale.

Seconda edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018. ISBN 978-8846754000. Capitolo 8,9

• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.
• Blocco C7. Ammine alifatiche e aromatiche. (2 ore) Botta, B. Chimica

organica essenziale. Seconda edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018. ISBN

978-8846754000. Capitolo 10,16

• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.
• Blocco C8. Aldeidi e Chetoni. (8 ore) Botta, B. Chimica organica

essenziale. Seconda edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018. ISBN 978-8846754000. Capitolo

11

• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.
• Blocco C9. Acidi Carbossilici e Derivati. (8 ore) Botta, B. Chimica

organica essenziale. Seconda edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018. ISBN

978-8846754000. Capitolo 12

• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.
• Blocco C10. Enoli ed Enolati. (2 ore) Botta, B. Chimica organica

essenziale. Seconda edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018. ISBN 978-8846754000. Capitolo

13

• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.
• Blocco D. Biomolecole (4 ore) Botta, B. Chimica organica essenziale. Seconda edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018. ISBN 978-8846754000. Capitolo 17-19
• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.

Modulo: ORGANIC AND INORGANIC CHEMISTRY 1

• Settimana 1- Incertezze

nelle misure. Principi del calcolo stechiometrico

• Testi di riferimento: Chemistry and Introductory Biochemistry- capitolo 1. Slides docente.
• Settimana 2-3. Struttura atomica e tavola periodica. Legame chimico
• Testi di riferimento: Chemistry and Introductory Biochemistry- capitolo 2
• Settimana 4. Nomenclatura e bilanciamento redox.
• Testi di riferimento: Chemistry and Introductory Biochemistry- capitolo 3. Slides docente.
• Settimana 5. Stato gassoso.
• Testi di riferimento: Chemistry and Introductory Biochemistry- capitolo 4. Slides docente.
• Settimana 6. Cenni di termodinamica e termochimica.
• Testi di riferimento: Chemistry and Introductory Biochemistry- capitolo 5. Slides docente.
• Settimana 7. Transizioni di fase e soluzioni.
• Testi di riferimento: Chemistry and Introductory Biochemistry- capitolo 6. Slides docente.
• Settimana 8. Equilibrio chimico.
• Testi di riferimento: Chemistry and Introductory Biochemistry- capitolo 7. Slides docente.
• Settimana 9. Equilibri acido-base.
• Testi di riferimento: Chemistry and Introductory Biochemistry- capitolo 8. Slides docente.
• Settimana 10. Cinetica chimica.
• Testi di riferimento: Chemistry and Introductory Biochemistry- capitolo 10. Slides docente.

Il modulo di Chimica Inorganica richiede il superamento di una prova scritta seguita da un esame orale.

La prova scritta include esercizi numerici che coprono i principali argomenti del corso. È richiesto un punteggio minimo di 18/30 nella prova scritta per accedere all'esame orale.

L'esame orale valuta la comprensione teorica dello studente, la capacità di utilizzare un'appropriata terminologia scientifica e la competenza nel risolvere problemi stechiometrici di base. L’esame di Organic Chemistry consiste di una prova orale finalizzata a valutare la preparazione dello studente sull'intero programma, la chiarezza espositiva e la capacità di collegare e ragionare criticamente sui vari argomenti trattati a lezione.

Il voto finale si basa sui risultati di entrambe le prove. Non c'è un limite massimo al numero di tentativi d'esame che possono essere sostenuti durante l'anno accademico.

Modulo: ORGANIC AND INORGANIC CHEMISTRY 2
B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.

in alternativa:

W. H. Brown “Chimica Organica” Ed. Edises 2010

J. Mc Murry “Organic Chemistry” Ninth Edition, Piccin 2017

Modulo: ORGANIC AND INORGANIC CHEMISTRY 1
Theory "Chemistry and Introductory Biochemistry", by Maccarrone - Di Ilio - Fasciglione - Lanzalunga - Nocca - Speranza. Edizioni A.L.E.

Exercises "Foundations of General Chemistry and Introductory Biochemistry: a Problem-Solving Approach", by Fasciglione. Edizione A.L.E.

Modulo: ORGANIC AND INORGANIC CHEMISTRY 2
N/D
Modulo: ORGANIC AND INORGANIC CHEMISTRY 1
N/D

This course is an introduction to chemistry fundamentals addressed to students with limited chemistry background. The purpose of the course is to provide students with the knowledge of general chemistry principles, and with the tools to solve simple chemistry problems. At the end of the course the students are expected to know ho to apply the acquired chemical concepts to different fields, including pharmaceutical chemistry and biochemistry which are the subjects of further courses.

The course aims to provide a correct knowledge of the fundamental principles of organic chemistry, proposing the contents into two distinct phases that are closely and logically linked. In the first phase the teaching is addressed to provide basic knowledge about classification and nomenclature of organic compounds, about the symbolism used to represent both structures and reactions, as well as over the chemical-physics, acid-base, nucleophilic-electrophilic properties of the considered compounds. In the second phase the teaching is instead focused on the description of the different reactivity involved by different classes of compounds, rationalizing the study through the analysis of the relevant mechanisms. In the context of the described methodology the objectives to be achieved are: 1) attainment of a suitable degree of specialized knowledge, understood as the ability to invoke theories, rules, nomenclature etc.; 2) capacity to properly interpret and process the reaction schemes and propose alternatives to the encountered syntheses; 3) establish connections between different studied subjects.

Questo insegnamento fornisce i fondamenti della chimica generale e organica, introducendo gli studenti ai concetti fondamentali che saranno applicati in modo più approfondito negli anni successivi secondo lo specifico focus del corso di laurea.

RISULTATI DI APPRENDIMENTO ATTESI

Conoscenza e capacità di comprensione: Al termine dell'insegnamento, lo studente avrà acquisito una solida comprensione dei principi fondamentali della chimica generale, con particolare attenzione alla struttura atomica, ai legami chimici, alle proprietà periodiche degli elementi, alle reazioni di ossidoriduzione, agli equilibri chimici, alle reazioni acido-base e alla cinetica chimica. Lo studente sarà in grado di riconoscere le caratteristiche dei composti inorganici e di comprendere i meccanismi alla base degli equilibri chimici e delle reazioni in soluzione acquosa, elementi essenziali per l'interpretazione dei processi biologici. Nella parte di chimica organica, lo studente acquisirà la capacità di identificare i principali gruppi funzionali e di comprendere le relazioni tra struttura molecolare e proprietà chimico-fisiche delle biomolecole, sviluppando competenze specifiche nella nomenclatura e nella rappresentazione delle molecole organiche rilevanti per la bioinformatica. Lo studente acquisirà consapevolezza delle interconnessioni tra le diverse proprietà chimiche e fisiche delle molecole e le condizioni in cui tali proprietà vengono attivate o inibite, con particolare attenzione ai meccanismi di reazione, alla stereoselettività e alla regioselettività.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione: Lo studente sarà capace di applicare i principi termodinamici e cinetici per prevedere la spontaneità e la velocità delle reazioni chimiche. Lo studente saprà riconoscere le diverse tipologie di reazioni e prevedere la reattività di sistemi inorganici. Per quanto riguarda la chimica organica, lo studente dimostrerà la capacità di analizzare le strutture tridimensionali delle molecole organiche, di prevedere la reattività dei diversi gruppi funzionali e di comprendere i meccanismi di reazione. Al termine del corso, gli studenti avranno sviluppato una consapevolezza fondamentale dei principi chimici e delle reazioni che permetterà loro di affrontare con maggiore sicurezza e competenza i corsi successivi di biochimica e chimica farmaceutica.

Autonomia di giudizio: Lo studente svilupperà capacità critiche nell'analisi delle proprietà chimiche dei composti inorganici e organici, valutando autonomamente la rilevanza delle informazioni chimiche. Sarà in grado di discriminare tra diverse rappresentazioni strutturali e di selezionare le fonti più appropriate per l'approfondimento di tematiche chimiche legate ai sistemi biologici. Durante le lezioni, il pensiero critico e la capacità di giudizio degli studenti vengono stimolati attraverso la partecipazione attiva, sia rispondendo alle domande del docente sia attraverso attività di problem-solving collettivo in classe che affrontano questioni realistiche che possono presentarsi in laboratorio.

Abilità comunicative: Lo studente acquisirà la capacità di comunicare concetti di chimica generale e organica utilizzando appropriata terminologia scientifica, rappresentando correttamente strutture molecolari e descrivendo meccanismi di reazione in modo chiaro e rigoroso, sia in forma scritta che orale, in contesti multidisciplinari tipici della bioinformatica. Queste competenze emergono durante i momenti interattivi delle lezioni e culminano nell'esame finale, dove agli studenti viene richiesto di risolvere esercizi di stechiometria e di spiegare il ragionamento logico alla base delle loro risposte.

Capacità di apprendimento: Lo studente svilupperà competenze per integrare le conoscenze chimiche acquisite con le altre discipline del corso di laurea, aggiornando costantemente le proprie competenze nell'ambito dell'interfaccia tra chimica e bioinformatica. Gli studenti sono incoraggiati a studiare in modo autonomo, facendo riferimento ai libri di testo consigliati così come al materiale fornito dai docenti.

Modulo: ORGANIC AND INORGANIC CHEMISTRY 2
A-Richiami Di Chimica Di Base.

Configurazione elettronica degli elementi e regola dell’ottetto. Legame chimico: ionico e covalente (omopolare, polare e dativo). Legame polarizzato e polarità delle molecole. Carica formale e numero di ossidazione di atomi nei composti organici. Le reazioni di ossido-riduzione nella chimica organica. Orbitali atomici e molecolari (orbitali sigma e pigreco-generalizzati). Orbitali ibridi sp, sp2, sp3. Definizione di acido e di base secondo le teorie di Arrhenius, Bronsted-Lowry e Lewis. Forze intra- ed intermolecolari: legame ad idrogeno e di van der Waals. Scissione omolitica ed eterolitica di legami. Eterolisi dei legami al carbonio: formazione di carbocationi e carbanioni. Omolisi dei legami al carbonio: formazione di radicali liberi.

B- Struttura delle molecole organiche.

B1-Definizione (costituzione e stereochimica). Rappresentazione di molecole organiche mediante strutture di Lewis e Kekulè, sia in versione compatta che linea spigolo. Definizione di risonanza e regole per scrivere correttamente strutture di risonanza di molecole organiche. Gruppi funzionali ed eventuali proprietà elettrofile/nucleofile ad essi associate e trasmesse alla molecola di appartenenza.

B2-Stereochimica.

Simmetria molecolare: nozioni di base (asse proprio e improprio, piano di simmetria, centro di simmetria). Concetti essenziali riguardanti la stereochimica di molecole organiche. Classificazione: isomeria costituzionale e sterica. Diastereomeri ed enantiomeri. Differenze di natura conformazionale e configurazionale. Stereoisomeria ottica e geometrica. Chiralità molecolare ed elementi che la determinano (centri, assi e piani). Miscele racemiche. Descrittori di configurazione cis/trans, E/Z, R/S. Regole di priorità di Cahn-Ingold-Prelog. Rappresentazione di strutture mediante proiezioni di Fischer (regole per la loro corretta scrittura e manipolazione). Mesoforme. Epimeri. Attività ottica di molecole chirali. Configurazione relativa di centri asimmetrici: descrittori D/L. Cenni sulla risoluzione di enantiomeri.

C- Reazioni organiche e principali classi di composti organici.

Equazioni delle reazioni organiche. Tipologia di reazioni organiche (sostituzione, eliminazione, addizione). Rottura e formazione di legami (radicali, carbocationi, carbanioni). Energia di dissociazione di legame. Termodinamica (costante di equilibrio e cambiamenti di energia libera) [concetti introdotti durante le varie ore di lezione]

C1- Alcani e Cicloalcani. Struttura. Nomenclatura IUPAC. Nomi comuni. Proprietà fisiche. Isomeria conformazionale (etano, butano). Isomeria cis/trans nei cicloalcani. Approfondimenti sulla struttura del Cicloesano e dei suoi derivati: conformazioni a sedia e a barca, idrogeni e sostituenti nelle posizioni assiali ed equatoriali. Alogenazione di alcani. Meccanismo radicalico. Regioselettività della sostituzione. Stabilità di radicali alchilici.

C2- Alcheni. Struttura. Nomenclatura IUPAC. Isomeria: nomenclatura cis-trans ed E/Z. Addizione radicalica ai doppi legami. Reazioni di addizione elettrofila: acidi alogenidrici [ionica (carbocationi: struttura, stabilità)], acqua, alogeni.

C3- Alchini. Struttura. Nomenclatura IUPAC. Proprietà chimiche. Acidità degli alchini terminali. Reazioni di addizione elettrofila. Reazioni degli anioni acetiluro.

C4- Alogenoalcani. Struttura. Nomenclatura IUPAC. Reazioni di sostituzione nucleofila alifatica. Meccanismi SN2 e SN1 e loro competizione. Stereochimica delle sostituzioni nucleofile. Effetti della struttura del substrato, del nucleofilo, del gruppo uscente e del solvente. Reazioni di eliminazione. Meccanismi E2 ed E1. Competizione fra i meccanismi E1 ed E2. Regole di Zaitsev e di Hofmann. Competizione delle reazioni di eliminazione con quelle di sostituzione nucleofila alifatica.

C5- Benzene e derivati. Struttura. Nomenclatura IUPAC e proprietà del benzene e dei suoi derivati. Aromaticità. Energia di risonanza. Regola di Huckel. Composti eterociclici aromatici. Reazioni di sostituzione elettrofila aromatica (SEAr): alogenazione. Effetti induttivi e mesomerici e capacità attivante/disattivante e orientante di gruppi legati all’anello benzenico. Reattività ed orientamento.

C6- Alcoli ed Eteri. Struttura. Nomenclatura IUPAC. Proprietà fisiche e chimico-fisiche. Acidità e basicità. Reazioni degli alcoli e dei fenoli. Epossidi come caso particolare di eteri fortemente reattivi (carattere elettrofilo degli atomi di carbonio legati all’ossigeno).

C7. Ammine alifatiche e aromatiche. Struttura e legami. Nomenclatura IUPAC. Basicità.

C8- Aldeidi e Chetoni. Struttura. Nomenclatura IUPAC. Reazioni di addizione nucleofila: reattivi di Grignard, ioni idruro, ammine primarie e secondarie, acqua, alcoli. Addizione nucleofila a composti carbonilici α,β-insaturi.

C9- Acidi carbossilici e derivati. Struttura. Nomenclatura IUPAC. Costanti di acidità. Esteri. Idrolisi acida, saponificazione. Alogenuri degli acidi. Anidridi. Ammidi. Nitrili.

C10- Enoli e anioni enolato. Acidità degli idrogeni in α al gruppo carbonilico. Tautomeria cheto-enolica. Reattività di enoli e anioni enolato (reazioni di alogenazione in α, di condensazione aldolica e affini). Acidità dei composti β-dicarbonilici.

D- Biomolecole.

D1- Carboidrati e Acidi Nucleici

Introduzione, classificazione dei carboidrati, notazione D/L, configurazione di aldosi e chetosi. Proprietà chimiche dei monosaccaridi, evidenza della formazione di emiacetali ciclici (glucosio), stereochimica. Disaccaridi (cenni).

D2- Amminoacidi, peptidi, proteine

Introduzione, proprietà chimiche di amminoacidi, peptidi.

Modulo: ORGANIC AND INORGANIC CHEMISTRY 1
[3 hours]

Basic concepts of Stoichiometry: The atomic and mass number. Isotopes. The atomic mass and the atomic weight. Definition of molecule. The molecular weight. Ionic compounds. The mole. Empirical formula, molecular formula and structural formula. IUPAC nomenclature.

[2 hours]

Law of definite proportions. Law of conservation of mass. Chemical equations, stoichiometric coefficients. The limiting reactant concept.

[2 hours]

The atomic structure: The quantic numbers. The s, p, d, and f orbitals. The Aufbau principle. The ionization energy and the electron affinity.

[4 hours]

The chemical bonding: Octet rule. Ionic bond. Covalent bond. Electronegativity. Hybridization (sp3, sp2, sp, sp3d, sp3d2). Dative bond. VSEPR theory and molecular geometries. Intermolecular forces (Van der Waals, dispersion, hydrogen bond).

[2 hours]

The gaseous systems: The fundamental laws of gases: Boyle, Charles, gay-Lussac and Avogadro. The ideal gas law. Mixtures of not reactive gases. Dalton’s law.

[4 hours]

The oxidation number. Redox reactions and their balancing.

[3 hours]

Basic concepts of thermodynamics: Heat and work. The first thermodynamic law. Reversible and not reversible processes. Enthalpy. Hess’s law. Spontaneous processes and entropy. The second thermodynamic law. Free energy and Gibb’s Helmotz equation.

[2 hours]

Phase transitions: Phase transition. Vapor pressure. Clausius Clapeyron equation. Phase diagram.

[4 hours]

Solutions: Molarity, molality and molar fraction. Mass and volume percentages. Dilution and mixing. Themodynamics of solutions. The Raoult’s law. Colligative properties of solutions. Boiling point elevation, freezing point depression and osmotic pressure. Van’t Hoff coefficient.

[3 hours]

Chemical equilibrium: Mass action law. Le Chatelier principle. The concentration, pressure and temperature effects on the equilibrium. Homogeneous and heterogeneous equilibria.

[4 hours]

Acid-base equilibrium: Definitions of Bronsted-Lowry and Lewis. Acid halides and oxyacids. Acid strength. Autoionization of water. The pH scale. Calculation of the pH for a solution of: strong acid (base), weak acid (base). Alfa and dissociation degree.

[5 hours]

Acid-base properties of a salt solution. Buffered solution.

[2 hours]

Basic concepts of chemical kinetics: Reaction rate. Collision theory. Definition of transition state. Arrhenius equation. Catalysis.

[10 hours] Numerical exercises

Modulo: ORGANIC AND INORGANIC CHEMISTRY 2

• Blocco A. Richiami Di

Chimica Di Base (4 ore) Botta, B. Chimica organica essenziale. Seconda

edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018. ISBN 978-8846754000. Capitolo 1-2

• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.
• Blocco B- Struttura

delle molecole organiche. (4 ore) Botta, B. Chimica organica

essenziale. Seconda edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018. ISBN 978-8846754000. Capitolo

4

• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.
• Blocco C1-C3. Alcani e Cicloalcani, Alcheni e Alchini. (6 ore) Botta,

M. Chimica organica essenziale. Seconda edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018.

ISBN 978-8846754000. Capitolo 3,5, 6

• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.
• Blocco C4. Alogenoalcani. (4 ore) Botta, B. Chimica organica

essenziale. Seconda edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018. ISBN 978-8846754000. Capitolo

7

• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.
• Blocco C5. Benzene e derivati. (4 ore) Botta, B. Chimica organica

essenziale. Seconda edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018. ISBN 978-8846754000.

Capitolo 15,16

• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.
• Blocco C6. Alcoli ed Eteri. (2 ore) Botta, B. Chimica organica essenziale.

Seconda edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018. ISBN 978-8846754000. Capitolo 8,9

• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.
• Blocco C7. Ammine alifatiche e aromatiche. (2 ore) Botta, B. Chimica

organica essenziale. Seconda edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018. ISBN

978-8846754000. Capitolo 10,16

• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.
• Blocco C8. Aldeidi e Chetoni. (8 ore) Botta, B. Chimica organica

essenziale. Seconda edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018. ISBN 978-8846754000. Capitolo

11

• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.
• Blocco C9. Acidi Carbossilici e Derivati. (8 ore) Botta, B. Chimica

organica essenziale. Seconda edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018. ISBN

978-8846754000. Capitolo 12

• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.
• Blocco C10. Enoli ed Enolati. (2 ore) Botta, B. Chimica organica

essenziale. Seconda edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018. ISBN 978-8846754000. Capitolo

13

• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.
• Blocco D. Biomolecole (4 ore) Botta, B. Chimica organica essenziale. Seconda edizione. Pisa: ETS Edizioni, 2018. ISBN 978-8846754000. Capitolo 17-19
• Testi di riferimento: B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.

Modulo: ORGANIC AND INORGANIC CHEMISTRY 1

• Settimana 1- Incertezze

nelle misure. Principi del calcolo stechiometrico

• Testi di riferimento: Chemistry and Introductory Biochemistry- capitolo 1. Slides docente.
• Settimana 2-3. Struttura atomica e tavola periodica. Legame chimico
• Testi di riferimento: Chemistry and Introductory Biochemistry- capitolo 2
• Settimana 4. Nomenclatura e bilanciamento redox.
• Testi di riferimento: Chemistry and Introductory Biochemistry- capitolo 3. Slides docente.
• Settimana 5. Stato gassoso.
• Testi di riferimento: Chemistry and Introductory Biochemistry- capitolo 4. Slides docente.
• Settimana 6. Cenni di termodinamica e termochimica.
• Testi di riferimento: Chemistry and Introductory Biochemistry- capitolo 5. Slides docente.
• Settimana 7. Transizioni di fase e soluzioni.
• Testi di riferimento: Chemistry and Introductory Biochemistry- capitolo 6. Slides docente.
• Settimana 8. Equilibrio chimico.
• Testi di riferimento: Chemistry and Introductory Biochemistry- capitolo 7. Slides docente.
• Settimana 9. Equilibri acido-base.
• Testi di riferimento: Chemistry and Introductory Biochemistry- capitolo 8. Slides docente.
• Settimana 10. Cinetica chimica.
• Testi di riferimento: Chemistry and Introductory Biochemistry- capitolo 10. Slides docente.

Il modulo di Chimica Inorganica richiede il superamento di una prova scritta seguita da un esame orale.

La prova scritta include esercizi numerici che coprono i principali argomenti del corso. È richiesto un punteggio minimo di 18/30 nella prova scritta per accedere all'esame orale.

L'esame orale valuta la comprensione teorica dello studente, la capacità di utilizzare un'appropriata terminologia scientifica e la competenza nel risolvere problemi stechiometrici di base. L’esame di Organic Chemistry consiste di una prova orale finalizzata a valutare la preparazione dello studente sull'intero programma, la chiarezza espositiva e la capacità di collegare e ragionare criticamente sui vari argomenti trattati a lezione.

Il voto finale si basa sui risultati di entrambe le prove. Non c'è un limite massimo al numero di tentativi d'esame che possono essere sostenuti durante l'anno accademico.

Modulo: ORGANIC AND INORGANIC CHEMISTRY 2
B. Botta, CHIMICA ORGANICA ESSENZIALE, Edi-Ermes, 2° Ed.

in alternativa:

W. H. Brown “Chimica Organica” Ed. Edises 2010

J. Mc Murry “Organic Chemistry” Ninth Edition, Piccin 2017

Modulo: ORGANIC AND INORGANIC CHEMISTRY 1
Theory "Chemistry and Introductory Biochemistry", by Maccarrone - Di Ilio - Fasciglione - Lanzalunga - Nocca - Speranza. Edizioni A.L.E.

Exercises "Foundations of General Chemistry and Introductory Biochemistry: a Problem-Solving Approach", by Fasciglione. Edizione A.L.E.

Modulo: ORGANIC AND INORGANIC CHEMISTRY 2
N/D
Modulo: ORGANIC AND INORGANIC CHEMISTRY 1
N/D

The goal of this course is to teach students the basic programming skills needed to deal with bioinformatics data. At the end of the course the students will be able to:

• model problems of medium difficulty and solve them by programming; - decompose complex programming problems into simpler problems; - design and implement programs; - test programs; - analyze programs in terms of their correctness and efficiency; - use Python and its libraries.

• Introduzione alla programmazione e all'architettura degli elaboratori;
• Introduzione a Python. Installazione e utilizzo;
• Gestire le informazioni. Input e output da/per l'utente;
• Strutture dati in Python: sequenze, iterazioni, slice, liste, stringhe, dizionari;
• Condizioni: if, else, elif;
• Organizzare il codice: funzioni, oggetti, classi, files;
• Python e multimedia: strutture dati per analisi di immagini.
• Introduzione alla programmazione e alle architetture dei calcolatori
• Testi di riferimento: n/a
• Programmazione Python - concetti base
• Testi di riferimento: n/a
• Fondamenti di programmazione a oggetti
• Testi di riferimento: n/a
• Visualizzazione e analisi dei dati
• Testi di riferimento: n/a

Prova scritta con domande teoriche e pratiche

• Guido van Rossum, Python Tutorial
• Josh Cogliati, Non-Programmers Tutorial For Python
• Allen Downey, Think Python
• Eric Mattes, Python Crash Course
• Fabio Pellacini, Fondamenti di Programmazione in Python (Italian textbook)

Principles of mathematics 1: The aim of this course is to give the student sound mathematical basis in calculus of one or several variables and optimization in a way appropriate for a student of bioinformatics. An emphasis is given to applications and intuitive understanding of the underlying concepts. The first semester (Principles of Mathematics 1) will be devoted mainly to the study of functions of one variables, including limits, derivative and integrals. Basic optimisation results for functions of one variable will also be considered
Knowledge and understanding
The aim of the course is to give students a basic
understanding of calculus in a way appropriate to bioinformatics students. Students will also be exposed to mathematics proofs as an example of rigorous scientific reasoning.
Applying knowledge and understanding
By the end of the course, students will be able to use basic mathematical tools as applied to different environments. They will also be able to interpret in a critical way
results obtained by applying mathematical modelling technique.
Making judgements
Lectures and practical exercises will provide students with the basic ability in
assessing the main strengths and weaknesses of mathematical models when used to explain empirical evidence.
Communication
By the end of the course, students will have basic mathematical skills that will help them to talk in an appropriate way about quantitative models.
Lifelong learning skills
Students are expected to develop learning skills necessary to undertake additional and more advanced studies involving mathematics and mathematical modelling in biology.
Principles of Mathematics 2:
The aim of this course is to give the student sound mathematical basis in calculus of one or several variables and optimization in a way appropriate for a student of bioinformatics. An emphasis is given to applications and intuitive understanding of the underlying concepts. The second semester (Principles of Mathematics 2) will be devoted mainly to the study of functions of several variables, linear algebra, and differential equations. Basic optimization results for functions of several variables will also be considered.
Knowledge and understanding
The aim of the course is to give students a basic
understanding of calculus in a way appropriate to bioinformatics students. Students will also be exposed to mathematics proofs as an example of rigorous scientific reasoning.
Applying knowledge and understanding
By the end of the course, students will be able to use basic mathematical tools as applied to different environments. They will also be able to interpret in a critical way
results obtained by applying mathematical modelling technique.
Making judgements
Lectures and practical exercises will provide students with the basic ability in
assessing the main strengths and weaknesses of mathematical models when used to explain empirical evidence.
Communication
By the end of the course, students will have basic mathematical skills that will help them to talk in an appropriate way about quantitative models.
Lifelong learning skills
Students are expected to develop learning skills necessary to undertake additional and more advanced studies involving mathematics and mathematical modelling in biology.

PRINCIPLES OF MATHEMATICS 2
Modulo: PRINCIPLES OF MATHEMATICS 2
LINEAR ALGEBRA:

Vectors: definition, scalar product, operations, rules and fundamental properties. Matrices: definition, main

properties, operations, determinant, eigenvalues and eigenvectors. Solution of linear systems by using the Cramer's theorem.

MATHEMATICAL ANALYSIS:

Multivariate calculus: functions of n variables.

Level curves, limits and continuity for functions of n variables.

Partial derivatives, higher derivatives, directional derivatives, gradient vector.

Maximum and minimum for functions of n variables.

Differential Equations. Pure-time, Autonomous, and Nonautonomous differential equations.

Equilibria and Stability. Direction Field. Euler method.

Systems of Differential Equations.

Modulo: PRINCIPLES OF MATHEMATICS 1
1. Functions

Sets, Intervals and functions. Types of functions. The graph of a function. Mathematical models.

2. Limits of a function.

What is a limit. How to compute a limit. Laws of limits.

Continuity of a function. Intermediate Value theorem; Bolzano's theorem.

3. Derivatives

What is a differentiable function; the graph of a function; tangent in a point; geometric view of derivatives; local approximation to the function.

Derivatives and properties of derivatives; meaning of positive and negative derivatives; examples.

Fermat's Theorem; minimum and maximum points; Weierstrass' theorem; existence of minimum and maximum.

Rolle's Theorem; Mean-value Theorem; computation of simple derivatives.

4. Integrals

What is an integral; integrability of a function.

Elementary properties of integrals; examples.

The Fundamental Theorem of Calculus; practical computation of definite integrals.

Indefinite integrals. Integration by substitution. Integration by parts.

Modulo: PRINCIPLES OF MATHEMATICS 2

• week 1: Differential Equations. Pure-time, Autonomous, and Nonautonomous differential equations
• week 2: Equilibria and Stability. Direction Field. Euler method. Systems of Differential Equations.
• week 3: Vectors and Matrices: coordinates in n dimensions. What is a vector, what is a matrix, what is a tensor. Operations with matrices: sum, multiplication, dot product.
• week 4: Identity, inverse matrix, determinant, solving systems of linear equations. Eigenvectors and Eigenvalues.
• week 5: Multivariate calculus: functions of n variables. Level curves, limits and continuity for functions of n variables.
• week 6: Partial derivatives, higher derivatives, directional derivatives, gradient vector. Maximum and minimum for functions of n variables.

Modulo: PRINCIPLES OF MATHEMATICS 1

• week 1: Introduction to the course, what is a function, Types of functions
• week 2: Limit of a sequence. Limit of a function. Laws of limits
• week 3: Derivatives. Rules for computing derivatives. Examples of derivatives
• week 4: Finding increasing and decreasing intervals. Finding minimum and maximum of a function. Solving indeterminate forms
• week 5: Optimization, Antiderivatives, study of functions.
• week 6: Definite integrals.The fundamental theorem of Calculus and Indefinite integrals. Evaluating Integrals, Integration by substitution

PRINCIPLES OF MATHEMATICS 1
Modulo: PRINCIPLES OF MATHEMATICS 2
LINEAR ALGEBRA:

Vectors: definition, scalar product, operations, rules and fundamental properties. Matrices: definition, main

properties, operations, determinant, eigenvalues and eigenvectors. Solution of linear systems by using the Cramer's theorem.

MATHEMATICAL ANALYSIS:

Multivariate calculus: functions of n variables.

Level curves, limits and continuity for functions of n variables.

Partial derivatives, higher derivatives, directional derivatives, gradient vector.

Maximum and minimum for functions of n variables.

Differential Equations. Pure-time, Autonomous, and Nonautonomous differential equations.

Equilibria and Stability. Direction Field. Euler method.

Systems of Differential Equations.

Modulo: PRINCIPLES OF MATHEMATICS 1
1. Functions

Sets, Intervals and functions. Types of functions. The graph of a function. Mathematical models.

2. Limits of a function.

What is a limit. How to compute a limit. Laws of limits.

Continuity of a function. Intermediate Value theorem; Bolzano's theorem.

3. Derivatives

What is a differentiable function; the graph of a function; tangent in a point; geometric view of derivatives; local approximation to the function.

Derivatives and properties of derivatives; meaning of positive and negative derivatives; examples.

Fermat's Theorem; minimum and maximum points; Weierstrass' theorem; existence of minimum and maximum.

Rolle's Theorem; Mean-value Theorem; computation of simple derivatives.

4. Integrals

What is an integral; integrability of a function.

Elementary properties of integrals; examples.

The Fundamental Theorem of Calculus; practical computation of definite integrals.

Indefinite integrals. Integration by substitution. Integration by parts.

Modulo: PRINCIPLES OF MATHEMATICS 2

• week 1: Differential Equations. Pure-time, Autonomous, and Nonautonomous differential equations
• week 2: Equilibria and Stability. Direction Field. Euler method. Systems of Differential Equations.
• week 3: Vectors and Matrices: coordinates in n dimensions. What is a vector, what is a matrix, what is a tensor. Operations with matrices: sum, multiplication, dot product.
• week 4: Identity, inverse matrix, determinant, solving systems of linear equations. Eigenvectors and Eigenvalues.
• week 5: Multivariate calculus: functions of n variables. Level curves, limits and continuity for functions of n variables.
• week 6: Partial derivatives, higher derivatives, directional derivatives, gradient vector. Maximum and minimum for functions of n variables.

Modulo: PRINCIPLES OF MATHEMATICS 1

• week 1: Introduction to the course, what is a function, Types of functions
• week 2: Limit of a sequence. Limit of a function. Laws of limits
• week 3: Derivatives. Rules for computing derivatives. Examples of derivatives
• week 4: Finding increasing and decreasing intervals. Finding minimum and maximum of a function. Solving indeterminate forms
• week 5: Optimization, Antiderivatives, study of functions.
• week 6: Definite integrals.The fundamental theorem of Calculus and Indefinite integrals. Evaluating Integrals, Integration by substitution

PRINCIPLES OF MATHEMATICS 2
prova scritta

PRINCIPLES OF MATHEMATICS 1
prova scritta

PRINCIPLES OF MATHEMATICS 2
Modulo: PRINCIPLES OF MATHEMATICS 2
Biocalculus: Calculus for Life Sciences, authors James Stewart, Troy Day – Cengage Learning 2015

Calculus For Biology and Medicine, author Claudia Neuhauser - Pearson 2014

Slides of the course, available from the home page of the professor (http://www.diag.uniroma1.it//~bruni/)

Modulo: PRINCIPLES OF MATHEMATICS 1
Calculus For Biology and Medicine, author Claudia Neuhauser - Pearson 2014

Biocalculus: Calculus for Life Sciences, authors James Stewart, Troy Day – Cengage Learning 2015

Slides of the course, available from the home page of the professor (http://www.diag.uniroma1.it//~bruni/)

Modulo: PRINCIPLES OF MATHEMATICS 2
N/D
Modulo: PRINCIPLES OF MATHEMATICS 1
N/D

PRINCIPLES OF MATHEMATICS 1
Modulo: PRINCIPLES OF MATHEMATICS 2
Biocalculus: Calculus for Life Sciences, authors James Stewart, Troy Day – Cengage Learning 2015

Calculus For Biology and Medicine, author Claudia Neuhauser - Pearson 2014

Slides of the course, available from the home page of the professor (http://www.diag.uniroma1.it//~bruni/)

Modulo: PRINCIPLES OF MATHEMATICS 1
Calculus For Biology and Medicine, author Claudia Neuhauser - Pearson 2014

Biocalculus: Calculus for Life Sciences, authors James Stewart, Troy Day – Cengage Learning 2015

Slides of the course, available from the home page of the professor (http://www.diag.uniroma1.it//~bruni/)

Modulo: PRINCIPLES OF MATHEMATICS 2
N/D
Modulo: PRINCIPLES OF MATHEMATICS 1
N/D

Principles of mathematics 1:

The aim of this course is to give the student sound mathematical basis in calculus of one or several variables and optimization in a way appropriate for a student of bioinformatics. An emphasis is given to applications and intuitive understanding of the underlying concepts. The first semester (Principles of Mathematics 1) will be devoted mainly to the study of functions of one variables, including limits, derivative and integrals. Basic optimisation results for functions of one variable will also be considered

Knowledge and understanding

The aim of the course is to give students a basic

understanding of calculus in a way appropriate to bioinformatics students. Students will also be exposed to mathematics proofs as an example of rigorous scientific reasoning.

Applying knowledge and understanding

By the end of the course, students will be able to use basic mathematical tools as applied to different environments. They will also be able to interpret in a critical way

results obtained by applying mathematical modelling technique.

Making judgements

Lectures and practical exercises will provide students with the basic ability in

assessing the main strengths and weaknesses of mathematical models when used to explain empirical evidence.

Communication

By the end of the course, students will have basic mathematical skills that will help them to talk in an appropriate way about quantitative models.

Lifelong learning skills

Students are expected to develop learning skills necessary to undertake additional and more advanced studies involving mathematics and mathematical modelling in biology.

Principles of Mathematics 2:

The aim of this course is to give the student sound mathematical basis in calculus of one or several variables and optimization in a way appropriate for a student of bioinformatics. An emphasis is given to applications and intuitive understanding of the underlying concepts. The second semester (Principles of Mathematics 2) will be devoted mainly to the study of functions of several variables, linear algebra, and differential equations. Basic optimization results for functions of several variables will also be considered.

Knowledge and understanding

The aim of the course is to give students a basic

understanding of calculus in a way appropriate to bioinformatics students. Students will also be exposed to mathematics proofs as an example of rigorous scientific reasoning.

Applying knowledge and understanding

By the end of the course, students will be able to use basic mathematical tools as applied to different environments. They will also be able to interpret in a critical way

results obtained by applying mathematical modelling technique.

Making judgements

Lectures and practical exercises will provide students with the basic ability in

assessing the main strengths and weaknesses of mathematical models when used to explain empirical evidence.

Communication

By the end of the course, students will have basic mathematical skills that will help them to talk in an appropriate way about quantitative models.

Lifelong learning skills

Students are expected to develop learning skills necessary to undertake additional and more advanced studies involving mathematics and mathematical modelling in biology.

Knowledge of the main results of mathematical analysis related to functions, in particular the concepts of limit, derivative and integral;

knowledge of mathematical techniques to solve exercises related to the calculation of limits, derivatives and integrals;

Knowledge of the main results of linear algebra, vector and matrices;

knowledge of the main results of differential equations;

awareness of the importance of mathematical analysis in various scientific fields and not only as a discipline for its own sake;

ability to use language and mathematical reasoning;

ability to solve exercises related to limits, derivatives and integrals;

ability to recognize and use the concepts of limits, derivatives, integrals, linear algebra and differential equations in the study of other disciplines;

analysis and synthesis skills to apply the acquired mathematical knowledge in practice;

ability to mathematically formalize and solve some simple problems in applied sciences with the tools of mathematical analysis.

Modulo: PRINCIPLES OF MATHEMATICS 2
LINEAR ALGEBRA:

Vectors: definition, scalar product, operations, rules and fundamental properties. Matrices: definition, main

properties, operations, determinant, eigenvalues and eigenvectors. Solution of linear systems by using the Cramer's theorem.

MATHEMATICAL ANALYSIS:

Multivariate calculus: functions of n variables.

Level curves, limits and continuity for functions of n variables.

Partial derivatives, higher derivatives, directional derivatives, gradient vector.

Maximum and minimum for functions of n variables.

Differential Equations. Pure-time, Autonomous, and Nonautonomous differential equations.

Equilibria and Stability. Direction Field. Euler method.

Systems of Differential Equations.

Modulo: PRINCIPLES OF MATHEMATICS 1
1. Functions

Sets, Intervals and functions. Types of functions. The graph of a function. Mathematical models.

2. Limits of a function.

What is a limit. How to compute a limit. Laws of limits.

Continuity of a function. Intermediate Value theorem; Bolzano's theorem.

3. Derivatives

What is a differentiable function; the graph of a function; tangent in a point; geometric view of derivatives; local approximation to the function.

Derivatives and properties of derivatives; meaning of positive and negative derivatives; examples.

Fermat's Theorem; minimum and maximum points; Weierstrass' theorem; existence of minimum and maximum.

Rolle's Theorem; Mean-value Theorem; computation of simple derivatives.

4. Integrals

What is an integral; integrability of a function.

Elementary properties of integrals; examples.

The Fundamental Theorem of Calculus; practical computation of definite integrals.

Indefinite integrals. Integration by substitution. Integration by parts.

Modulo: PRINCIPLES OF MATHEMATICS 2

• week 1: Differential Equations. Pure-time, Autonomous, and Nonautonomous differential equations
• week 2: Equilibria and Stability. Direction Field. Euler method. Systems of Differential Equations.
• week 3: Vectors and Matrices: coordinates in n dimensions. What is a vector, what is a matrix, what is a tensor. Operations with matrices: sum, multiplication, dot product.
• week 4: Identity, inverse matrix, determinant, solving systems of linear equations. Eigenvectors and Eigenvalues.
• week 5: Multivariate calculus: functions of n variables. Level curves, limits and continuity for functions of n variables.
• week 6: Partial derivatives, higher derivatives, directional derivatives, gradient vector. Maximum and minimum for functions of n variables.

Modulo: PRINCIPLES OF MATHEMATICS 1

• week 1: Introduction to the course, what is a function, Types of functions
• week 2: Limit of a sequence. Limit of a function. Laws of limits
• week 3: Derivatives. Rules for computing derivatives. Examples of derivatives
• week 4: Finding increasing and decreasing intervals. Finding minimum and maximum of a function. Solving indeterminate forms
• week 5: Optimization, Antiderivatives, study of functions.
• week 6: Definite integrals.The fundamental theorem of Calculus and Indefinite integrals. Evaluating Integrals, Integration by substitution

prova scritta

Modulo: PRINCIPLES OF MATHEMATICS 2
Biocalculus: Calculus for Life Sciences, authors James Stewart, Troy Day – Cengage Learning 2015

Calculus For Biology and Medicine, author Claudia Neuhauser - Pearson 2014

Slides of the course, available from the home page of the professor (http://www.diag.uniroma1.it//~bruni/)

Modulo: PRINCIPLES OF MATHEMATICS 1
Calculus For Biology and Medicine, author Claudia Neuhauser - Pearson 2014

Biocalculus: Calculus for Life Sciences, authors James Stewart, Troy Day – Cengage Learning 2015

Slides of the course, available from the home page of the professor (http://www.diag.uniroma1.it//~bruni/)

Modulo: PRINCIPLES OF MATHEMATICS 2
N/D
Modulo: PRINCIPLES OF MATHEMATICS 1
N/D

Principles of mathematics 1:

The aim of this course is to give the student sound mathematical basis in calculus of one or several variables and optimization in a way appropriate for a student of bioinformatics. An emphasis is given to applications and intuitive understanding of the underlying concepts. The first semester (Principles of Mathematics 1) will be devoted mainly to the study of functions of one variables, including limits, derivative and integrals. Basic optimisation results for functions of one variable will also be considered

Knowledge and understanding

The aim of the course is to give students a basic

understanding of calculus in a way appropriate to bioinformatics students. Students will also be exposed to mathematics proofs as an example of rigorous scientific reasoning.

Applying knowledge and understanding

By the end of the course, students will be able to use basic mathematical tools as applied to different environments. They will also be able to interpret in a critical way

results obtained by applying mathematical modelling technique.

Making judgements

Lectures and practical exercises will provide students with the basic ability in

assessing the main strengths and weaknesses of mathematical models when used to explain empirical evidence.

Communication

By the end of the course, students will have basic mathematical skills that will help them to talk in an appropriate way about quantitative models.

Lifelong learning skills

Students are expected to develop learning skills necessary to undertake additional and more advanced studies involving mathematics and mathematical modelling in biology.

Principles of Mathematics 2:

The aim of this course is to give the student sound mathematical basis in calculus of one or several variables and optimization in a way appropriate for a student of bioinformatics. An emphasis is given to applications and intuitive understanding of the underlying concepts. The second semester (Principles of Mathematics 2) will be devoted mainly to the study of functions of several variables, linear algebra, and differential equations. Basic optimization results for functions of several variables will also be considered.

Knowledge and understanding

The aim of the course is to give students a basic

understanding of calculus in a way appropriate to bioinformatics students. Students will also be exposed to mathematics proofs as an example of rigorous scientific reasoning.

Applying knowledge and understanding

By the end of the course, students will be able to use basic mathematical tools as applied to different environments. They will also be able to interpret in a critical way

results obtained by applying mathematical modelling technique.

Making judgements

Lectures and practical exercises will provide students with the basic ability in

assessing the main strengths and weaknesses of mathematical models when used to explain empirical evidence.

Communication

By the end of the course, students will have basic mathematical skills that will help them to talk in an appropriate way about quantitative models.

Lifelong learning skills

Students are expected to develop learning skills necessary to undertake additional and more advanced studies involving mathematics and mathematical modelling in biology.

Knowledge of the main results of mathematical analysis related to functions, in particular the concepts of limit, derivative and integral;

knowledge of mathematical techniques to solve exercises related to the calculation of limits, derivatives and integrals;

Knowledge of the main results of linear algebra, vector and matrices;

knowledge of the main results of differential equations;

awareness of the importance of mathematical analysis in various scientific fields and not only as a discipline for its own sake;

ability to use language and mathematical reasoning;

ability to solve exercises related to limits, derivatives and integrals;

ability to recognize and use the concepts of limits, derivatives, integrals, linear algebra and differential equations in the study of other disciplines;

analysis and synthesis skills to apply the acquired mathematical knowledge in practice;

ability to mathematically formalize and solve some simple problems in applied sciences with the tools of mathematical analysis.

Modulo: PRINCIPLES OF MATHEMATICS 2
LINEAR ALGEBRA:

Vectors: definition, scalar product, operations, rules and fundamental properties. Matrices: definition, main

properties, operations, determinant, eigenvalues and eigenvectors. Solution of linear systems by using the Cramer's theorem.

MATHEMATICAL ANALYSIS:

Multivariate calculus: functions of n variables.

Level curves, limits and continuity for functions of n variables.

Partial derivatives, higher derivatives, directional derivatives, gradient vector.

Maximum and minimum for functions of n variables.

Differential Equations. Pure-time, Autonomous, and Nonautonomous differential equations.

Equilibria and Stability. Direction Field. Euler method.

Systems of Differential Equations.

Modulo: PRINCIPLES OF MATHEMATICS 1
1. Functions

Sets, Intervals and functions. Types of functions. The graph of a function. Mathematical models.

2. Limits of a function.

What is a limit. How to compute a limit. Laws of limits.

Continuity of a function. Intermediate Value theorem; Bolzano's theorem.

3. Derivatives

What is a differentiable function; the graph of a function; tangent in a point; geometric view of derivatives; local approximation to the function.

Derivatives and properties of derivatives; meaning of positive and negative derivatives; examples.

Fermat's Theorem; minimum and maximum points; Weierstrass' theorem; existence of minimum and maximum.

Rolle's Theorem; Mean-value Theorem; computation of simple derivatives.

4. Integrals

What is an integral; integrability of a function.

Elementary properties of integrals; examples.

The Fundamental Theorem of Calculus; practical computation of definite integrals.

Indefinite integrals. Integration by substitution. Integration by parts.

Modulo: PRINCIPLES OF MATHEMATICS 2

• week 1: Differential Equations. Pure-time, Autonomous, and Nonautonomous differential equations
• week 2: Equilibria and Stability. Direction Field. Euler method. Systems of Differential Equations.
• week 3: Vectors and Matrices: coordinates in n dimensions. What is a vector, what is a matrix, what is a tensor. Operations with matrices: sum, multiplication, dot product.
• week 4: Identity, inverse matrix, determinant, solving systems of linear equations. Eigenvectors and Eigenvalues.
• week 5: Multivariate calculus: functions of n variables. Level curves, limits and continuity for functions of n variables.
• week 6: Partial derivatives, higher derivatives, directional derivatives, gradient vector. Maximum and minimum for functions of n variables.

Modulo: PRINCIPLES OF MATHEMATICS 1

• week 1: Introduction to the course, what is a function, Types of functions
• week 2: Limit of a sequence. Limit of a function. Laws of limits
• week 3: Derivatives. Rules for computing derivatives. Examples of derivatives
• week 4: Finding increasing and decreasing intervals. Finding minimum and maximum of a function. Solving indeterminate forms
• week 5: Optimization, Antiderivatives, study of functions.
• week 6: Definite integrals.The fundamental theorem of Calculus and Indefinite integrals. Evaluating Integrals, Integration by substitution

prova scritta

Modulo: PRINCIPLES OF MATHEMATICS 2
Biocalculus: Calculus for Life Sciences, authors James Stewart, Troy Day – Cengage Learning 2015

Calculus For Biology and Medicine, author Claudia Neuhauser - Pearson 2014

Slides of the course, available from the home page of the professor (http://www.diag.uniroma1.it//~bruni/)

Modulo: PRINCIPLES OF MATHEMATICS 1
Calculus For Biology and Medicine, author Claudia Neuhauser - Pearson 2014

Biocalculus: Calculus for Life Sciences, authors James Stewart, Troy Day – Cengage Learning 2015

Slides of the course, available from the home page of the professor (http://www.diag.uniroma1.it//~bruni/)

Modulo: PRINCIPLES OF MATHEMATICS 2
N/D
Modulo: PRINCIPLES OF MATHEMATICS 1
N/D

Al termine del corso, gli studenti dovranno dimostrare una solida comprensione degli argomenti trattati a lezione, sapendoli esporre in modo dettagliato e con il livello di approfondimento discusso durante le lezioni. Dovranno inoltre essere in grado di risolvere esercizi di complessità analoga a quelli proposti in aula e di interpretare e discutere il significato e le implicazioni di specifiche leggi. Tali competenze saranno valutate attraverso prove scritte e orali.

Introduzione, scienze naturali, fisica e unità di misura.

Dimensione, concetti matematici usati in fisica, operazioni sui vettori.

Le leggi di Newton.

Fisica delle parti del corpo e del centro di massa.

Fisica dei fluidi.

Elementi di termodinamica. Lavoro ed energia.

Carica elettrica, campo elettrico, potenziale elettrico, correnti elettriche.

Elementi di magnetismo.

Ottica geometrica e natura ondulatoria della luce.

Radiazioni.

Per ogni argomento verranno trattate applicazioni utili in biologia, medicina e bioinformatica.

Il programma sarà dettagliato durante le lezioni.

L'esame prevederà una parte scritta in cui gli studenti dovranno risolvere semplici esercizi inerenti al programma studiato e una parte orale in cui verranno valutate le conoscenze e la capacità analitica acquisita.

Lo studente deve dimostrare di aver acquisito sufficiente conoscenza degli argomenti trattati nel corso con una conoscenza di base della maggior parte dei contenuti e di essere in grado di collegare le informazioni correlate, descriverle e risolvere questioni scientifiche essenziali.

Per conseguire un punteggio di 30/30 (cum laude), lo studente dovrà dimostrare di aver acquisito un'ottima conoscenza di tutti gli argomenti trattati durante il corso sapendo collegarli ed esporli in modo logico e coerente. Per superare il corso di Principi di Fisica è necessario conseguire un voto non inferiore a 18/30.

● L'esame scritto finale vale l'80% del voto finale

● L'orale finale vale il 20% del voto finale

● Gli studenti che ottengono un voto non inferiore a 27/30 alla prova scritta possono scegliere di mantenere il voto della prova scritta come voto finale e di non sostenere la prova orale (per conseguire un punteggio di 30/30 (cum laude) è necessario sostenere l’orale). In alcuni casi, il docente può decidere di far sostenere ugualmente l'esame orale.

Physics: Principles With Applications - Giancoli, Douglas C.

General Objectives
Bioinformatics is a multidisciplinary field that integrates biology, computer science, mathematics, and statistics. It includes the development and implementation of computational methods and tools to manage, decipher, and interpret the large amount of biomolecular data available today. It is widely recognized that bioinformatics is fundamental for translational research and the success of molecular medicine.
The aim of the course is to provide students with:
familiarity with bioinformatics tools, databases, and programming languages;
the ability to implement, interpret, and present the results of typical bioinformatics analyses;
the competence to critically discuss current limitations and contribute to the design of next-generation tools;
practical experience in analyzing “omics” sequencing data and protein sequences using a combination of cutting-edge tools and programming languages.
Specific Skills
Students who successfully complete the exam will be able to:
analyze transcriptomics data (RNA-seq and Microarray);
develop a lightweight and reusable RNA-seq pipeline (mapping and transcript reconstruction);
perform read mapping from deep sequencing data;
understand the most common file formats for “omics” data;
interpret “omics” data with functional analysis;
have basic knowledge of the R programming language;
have basic proficiency in Linux command line and shell scripting;
report results in a reproducible way;
understand and select appropriate bioinformatics tools and databases for their investigation;
analyze protein sequences to identify domains and functional motifs;
predict protein structure (secondary and tertiary) using computational tools;
utilize databases and tools for structural bioinformatics (e.g., PDB, AlphaFold, PyMOL);
interpret structural data in relation to biological function and biomedical applications.
Applying Knowledge and Understanding
Students will be able to:
integrate information collected from different sources (datasets, lectures, scientific literature);
apply NGS-based technologies to transcriptomics data;
set up bioinformatics pipelines for transcriptomic analyses using open-source software;
design workflows for protein sequence and structure analysis;
ensure reproducibility and scalability of bioinformatics approaches.
Communication Skills
Students will be able to:
deliver oral presentations of scientific data analyses;
create detailed analysis reports and effective presentations;
communicate results on “omics” and structural data, integrating sequence, structure, and function of proteins.
Learning Skills
Logically connect the acquired knowledge.
Identify the most relevant issues discussed during the course.
Develop autonomy in learning new bioinformatics tools, with special focus on structural bioinformatics and computational proteomics.

General skills The course of Genetics and computational genomics provides students with a basic knowledge of Genetics aimed at understanding the rules of inheritance, their molecular bases, their main applications and their implications for evolution. In addition, the course will allow students to understand how genetic information is encoded at the DNA level and how it contribute to phenotypic variability. Fundamentals concepts in functional genetics and evolution will be reconsidered in light of the sequencing and re-sequencing projects. The student will be also provided of practical and theoretical tools to solve genetic problems and to use databases for storage, management, analysis, and visualization of genetic data.
Specific skills
A) Knowledge and understanding -Knowledge and understanding of the characteristics of the genetic material -Knowledge and understanding of the rules of genetic transmission -Knowledge and understanding of mutations and their implications -Basic knowledge on the dynamics of genes in populations as well as on the genetic mechanisms underlying evolution - Knowledge and understanding of informatic methods used for genomic analyses
B) Applying knowledge and understanding - Usage of a proper genetic terminology - Identification of the right procedures to solve genetic problems - Formulation of hypotheses on the hereditary transmission of characters - Constructing and interpreting genetic maps and genealogical trees - Acquisition of conceptual tools for the genetic dissection of biological systems - Management of genomic browsers and programs for storage, management analysis, and visualization of “big data”
C) Making judgements - Acquisition of a critical judgment capacity on solving problems of formal genetics, through the study of the evolution of the gene concept from Mendel to the present day and the detailed analysis of some fundamental experiments - Addressing questions for the elaboration and deepening of the gained information
D) Communication skills - Communicating the genetic concepts acquired during the course with appropriate terminology
E) Learning skills - Logically connecting the acquired knowledge - Identification of the most relevant topics of the issues discussed during the course

L’insegnamento prevede 48 ore di didattica frontale, suddivise in due MODULI (Modulo I e Modulo II) di 24 ore ciascuno.

Modulo I

La prima parte del corso è un’introduzione alla Genetica. Il modulo si propone di fornire allo studente una conoscenza delle leggi che regolano l’ereditarietà e di come queste possano essere applicate per la soluzione di problematiche biologiche.

Argomenti:

• Le leggi dell’ereditarietà di Mendel e loro estensioni (6 ore)
• La teoria cromosomica dell’ereditarietà (2 ore)
• Struttura e funzione del gene (2 ore)
• Strategie di mappatura genica (4 ore)
• Mutazioni geniche, cromosomiche e del genoma (2 ore)
• Codice genetico e sua decifrazione (2 ore)
• Regolazione genica nei procarioti e concetto di operone (4 ore)
• Genetica della determinazione del sesso (2 ore).

Modulo II

La seconda parte del corso è una introduzione alla genomica computazionale. Il modulo si propone di applicare le leggi dell’ereditarietà a popolazioni e di risolvere problemi complessi di genomica utilizzando supporti informatici.

Argomenti:

• Struttura e variabilità del genoma umano (6 ore)
• Modelli matematici di evoluzione genetica (8 ore)
• Alberi genealogici mappature e associazione (4 ore)
• Genomica comparativa e modelli di filogenesi (2 ore)
• Analisi informatiche (4 ore)

La prova d’esame ha l’obiettivo di verificare il livello di conoscenza ed approfondimento degli argomenti del programma dell’insegnamento e la capacità di ragionamento sviluppata dallo studente. La valutazione è espressa in trentesimi (voto minimo 18/30, voto massimo 30/30 con lode).

La valutazione consiste di una prova scritta della durata di un'ora che include esercizi e domande a risposta multipla relativamente agli argomenti trattati nei Moduli I e II. L’esame complessivamente consente di verificare il raggiungimento degli obiettivi in termini di conoscenze e competenze acquisite. é possibile fare una prova orale integrativa dopo la prova scritta. Nelle prove orali vengono valutate la proprietà di linguaggio, la chiarezza espositiva e la capacità critica di fronte a problemi genetici/genomici.

• “Genetics: From Genes to Genomes” Hartwell-
• “Human molecular genetics” Strachan

Il materiale didattico è disponibile sulla pagina web del corso: https://elearning2.uniroma1.it

GENETICA: dall'Analisi Formale alla Genomica- Hartwell, Hood, Goldberg, Reynolds, Silver, Veres - MCGRAWHILL

GENETICA (esercizi): Elrod and Stansfields Shaum’s - MCGRAWHILL

PRINCIPI DI GENETICA: Snustad -Simmons - EDISES

GENETICA. Principi di analisi formale: Griffith -Zanichelli

Learning results This course is aimed at providing an overview of the most important cellular and molecular mechanisms involved in the regulation of the immune response. The factors regulating immune system will be put in relation to the molecular mechanisms governing resistance against pathogens and promoting pathologies related to a defective immune response. Specific aims Student will acquire fundamental knowledge on - how immune cells function and interplay to participate to immune responses - how immune system protects us from pathogens and how mechanisms that inhibit immune responses lead to disease state. - how interpretation of transcriptomic and proteomic data helps to elucidate mechanisms of development of the immune response. At the end of the course, students will be able to explain how immune system works and to understand and explain data obtained from multiparametric analysis of immune cell function at transcriptional and post-transcriptional levels. The use of bioinformatics tools to clarify the molecular processes underlying pathologies and their use in diagnosis and treatment of diseases will be discussed. At the end of the course, students will be able to perform bibliographic searches in public scientific data banks (i.e. PubMed) to develop the topics covered in the course. This will be instrumental to identify the most recent methods of bioinformatic analysis used to approach immunology issues. The independent ability of the student to propose solutions to solve immunological questions is and aim of the course. Communication skills will be verified during the course by stimulating discussion and implemented by suggestions and the critical analysis of the slides presented during the course

Introduction to cells, organs and function of immune system

• Role of innate immunity in generating specific immune responses.
• The antigen-presenting cells (dendritic cells and macrophages).
• T cell maturation and activation
• B cell maturation and activation
• Epigenetic modifications in immune cells. Mechanisms and analysis. Role in maturation and differentiation to effector cells.
• Effector cell-mediated mechanisms. The role of helper T cells in determining the nature of the immune response.
• The activation of macrophages: phagocytosis and cytolysis
• Humoral immunity effector mechanisms.
• Molecules involved in immunity to infection and mechanisms of viral immune evasion
• Molecules involved in immunity to tumors and mechanisms of tumor immune evasion
• High dimentional data in the immune system. Approaches for single cell analysis using flow cytometry and transcriptomic data
• Introduzione al sistema immunitario
• La risposta immunitaria innata: meccanismi di riconoscimento
• Immunità acquisita/adattativa
• Requisiti per il riconoscimento degli antigeni da parte di linfociti B e T
• Maturazione e acquisizione del recettore per l'antigene nei linfociti B e T.
• Attivazione e funzioni effettrici dei linfociti T
• Citochine e attivazione dei linfociti B
• Linfociti T citotossici e cellule linfoidi innate
• Le funzioni degli anticorpi e le cellule e molecole coinvolte
• Lezione pratica sull'uso di programmi per analisi di dati FACS
• Allergia
• Immunologia dei tumori
• Vaccinologia

A written progress test (anonymous) with multiple choices is provided during the course to evaluate the level of preparation achieved

The objective of the exam consists in verifying the achievement of the previously indicated training objectives

Oral test with open stimulus and open answers

A.K. Abbas, A.H. Lichtman, S. Pillai.

BASIC IMMUNOLOGY. Function and disorders of the Immune System

7TH edition, Masson.

C.A. Janeway, K. Murphy, P. Travers, M. Walport.

IMMUNOBIOLOGY, Piccin.

Slides and articles provided by the professors

Microorganisms play a key role in the environment, in human health and in biotechnological research. The course of Microbiology aims to provide the basic principles of structure, function and evolution of microbial cells, with particular regard to bacterial cells.The knowledge and skills acquired during this course will represent a starting point for the application of bioinformatics and -omics tools to study microorganisms and microbial communities, and for the investigation of their impact on human health and the environment. Students who have passed the exam will know and understand (acquired knowledge)
The structural and functional diversity which is present in the microbial world; The mechanisms responsible for the structure and functioning of bacterial cells; The mechanisms responsible for the evolution of bacterial species; The structure and life cycles of viruses; The methods used to analyze microbial communities, their gene expression and their metabolic profile.
Students who have passed the exam will be able to (acquired skills): Understand and analyse microbiological data; Critically analyze the issues related to the evolution; Understand and design experimental and bioinformatics approaches.

1. Fondamenti microbici:

• Procarioti vs. Eucarioti (struttura cellulare, dimensioni, compartimenti)
• Panoramica della tassonomia e della diversità microbica (focus sui batteri)
• Storia della microbiologia: dalle metodiche classiche di coltura al sequenziamento di nuova generazione
• Coltura e colorazione

2. Biologia cellulare microbica

• Strutture della superficie cellulare (flagelli, pili, capsula, membrana)
• Motilità, chemiotassi/tassi
• Divisione cellulare (fissione binaria, curva di crescita)
• Sistemi di regolazione: sistemi a due compomenti, quorum sensing

3. Genetica microbica

• Fondamenti di replicazione del DNA, trascrizione e traduzione
• Codice genetico e operoni
• Elementi genetici: plasmidi, fagi, trasposoni, integroni
• Trasferimento genico orizzontale (coniugazione, trasformazione, trasduzione)
• Regolazione genetica: repressori, attivatori, attenuazione

4. Virus e fagi

5. Evoluzione batterica

6. "-omics": storia e applicazioni

7. Il microbioma

• ruolo del microbioma
• metodi di studio del microbioma

8. Lezioni pratiche:

• Sequenziamento del gene 16S
• RNAseq
• Filogenesi
• Analisi e integrazione dei dati

La valutazione si baserà su una prova scritta composta da domande chiuse e aperte, finalizzate a verificare sia le conoscenze teoriche sia la capacità di analisi critica degli studenti.

In alternativa, sarà possibile sostenere un esonero: gli studenti potranno presentare una breve tesina sui tre argomenti trattati nel corso pratico, dimostrando la comprensione delle metodiche bioinformatiche. In caso di esito positivo, l’esonero consentirà di escludere le relative tematiche dall’esame scritto.

Brock Biology of Microorganisms, Global Edition

Sedicesima edizione

Anno di pubblicazione: 2021

ISBN: 978-1-292-40479-0

E-ISBN: 978-1-292-40506-3

Pagine: 1128

Lingua: Inglese

General goals The course aims to introduce the students to the links between DNA, RNA and protein structure and their relevant biological functions with particular emphasis on the bioinformatic approaches to their analysis.
Specific goals 1. Knowledge and comprehension: the students will have to know the molecular mechanisms which regulate cellular homeostasis and gene expression and the most utilized methodologies in Molecular Biology. 2. Ability in applying Knowledge and comprehension: the students will have to be able to apply this knowledge in the discussion of specific arguments of recent and general interest with a particular focus on the bioinformatic approaches. 3. Abilities in judging methodologic approaches and communication skill: The students will have to show skills in judging strategies in biological problems solving and to communicate their conclusions to the teacher and to the colleagues. This is also applicable to the practical training sessions. 4. The students will have to show skill in applying what they have learned in molecular biology to specific problems to be solved with a bioinformatic approach.

MOLECULAR BIOLOGY 2
iologia Molecolare I

Il DNA polimorfico - Componenti chimici del DNA: basi, zuccheri e scheletro fosfodiesterico (0,1 cfu). Struttura di base del DNA B (0,2). Conformazioni alternative del DNA, strutture insolite (crociformi, tripla elica) (0,2) - Variabilità conformazionale dei parametri strutturali, curvatura e flessibilità (0,2). Topologia del DNA, avvolgimento e svolgimento; numero di legami; DNA topoisomerasi (0,2). Il codice genetico - la decifrazione del codice; struttura e funzione del codice (0,1). Replicazione del DNA: meccanismi e macchinari nei procarioti e negli eucarioti (0,2). Organizzazione dei repliconi; problemi topologici e di replicazione terminale (0,1). Mutabilità e riparazione del DNA; punti di controllo del danno (0,1). Trascrizione del DNA: trascrizione nei batteri e nei batteriofagi; macchinari trascrizionali e segnali di posizionamento dell'RNA polimerasi (0,2). Approccio metodologico allo studio della trascrizione: sistemi di trascrizione in vitro (0.2). Regolazione della trascrizione nei sistemi procariotici: attivazione e repressione; struttura e funzione degli operoni (0.2). Trascrizione nei sistemi eucariotici (0.1); macchinario trascrizionale e segnali di posizionamento della RNA polimerasi (0.2). Approcci metodologici allo studio della trascrizione: sistemi di trascrizione eucariotici in vitro. Regolazione coordinata delle tre RNA polimerasi eucariotiche (0.2). Fattori di trascrizione e regolazione della trascrizione negli eucarioti (0.2). La molecola di RNA (caratteristiche chimiche e strutturali) (0.2); struttura e funzione di tRNA, rRNA, pre- e mRNA, snRNA e snoRNA (0.2); capping e poliadenilazione dell'mRNA e loro ruolo regolativo (0.2). Struttura di base della cromatina negli eucarioti e nei procarioti (0.2). Struttura dei nucleosomi e ulteriori livelli di organizzazione (0.2). Modifiche istoniche e loro effetti regolatori; il codice istonico (0.2). Metilazione del DNA e suo ruolo regolatore (0.2). Varianti istoniche e loro ruolo regolatore. Struttura della cromatina e rimodellamento della cromatina a livello dei promotori (0.2). Struttura dei cromosomi: centromeri, telomeri e origine della replicazione (0.1).

Tecniche di Biologia Molecolare (0.5 cfu): Purificazione, quantizzazione, marcatura e sequenziamento degli acidi nucleici (introduzione alla NGS); PCR, RT-PCR, Southern e Northern blot; tecniche di clonazione di base. Tecniche per l'analisi delle interazioni proteina-DNA. Esercitazione pratica (1 cfu).

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Riquadri laterali

Cronologia

Salvate

Modulo: MOLECULAR BIOLOGY 2
N/D
Modulo: MOLECULAR BIOLOGY 1
N/D

MOLECULAR BIOLOGY 1
iologia Molecolare I

Il DNA polimorfico - Componenti chimici del DNA: basi, zuccheri e scheletro fosfodiesterico (0,1 cfu). Struttura di base del DNA B (0,2). Conformazioni alternative del DNA, strutture insolite (crociformi, tripla elica) (0,2) - Variabilità conformazionale dei parametri strutturali, curvatura e flessibilità (0,2). Topologia del DNA, avvolgimento e svolgimento; numero di legami; DNA topoisomerasi (0,2). Il codice genetico - la decifrazione del codice; struttura e funzione del codice (0,1). Replicazione del DNA: meccanismi e macchinari nei procarioti e negli eucarioti (0,2). Organizzazione dei repliconi; problemi topologici e di replicazione terminale (0,1). Mutabilità e riparazione del DNA; punti di controllo del danno (0,1). Trascrizione del DNA: trascrizione nei batteri e nei batteriofagi; macchinari trascrizionali e segnali di posizionamento dell'RNA polimerasi (0,2). Approccio metodologico allo studio della trascrizione: sistemi di trascrizione in vitro (0.2). Regolazione della trascrizione nei sistemi procariotici: attivazione e repressione; struttura e funzione degli operoni (0.2). Trascrizione nei sistemi eucariotici (0.1); macchinario trascrizionale e segnali di posizionamento della RNA polimerasi (0.2). Approcci metodologici allo studio della trascrizione: sistemi di trascrizione eucariotici in vitro. Regolazione coordinata delle tre RNA polimerasi eucariotiche (0.2). Fattori di trascrizione e regolazione della trascrizione negli eucarioti (0.2). La molecola di RNA (caratteristiche chimiche e strutturali) (0.2); struttura e funzione di tRNA, rRNA, pre- e mRNA, snRNA e snoRNA (0.2); capping e poliadenilazione dell'mRNA e loro ruolo regolativo (0.2). Struttura di base della cromatina negli eucarioti e nei procarioti (0.2). Struttura dei nucleosomi e ulteriori livelli di organizzazione (0.2). Modifiche istoniche e loro effetti regolatori; il codice istonico (0.2). Metilazione del DNA e suo ruolo regolatore (0.2). Varianti istoniche e loro ruolo regolatore. Struttura della cromatina e rimodellamento della cromatina a livello dei promotori (0.2). Struttura dei cromosomi: centromeri, telomeri e origine della replicazione (0.1).

Tecniche di Biologia Molecolare (0.5 cfu): Purificazione, quantizzazione, marcatura e sequenziamento degli acidi nucleici (introduzione alla NGS); PCR, RT-PCR, Southern e Northern blot; tecniche di clonazione di base. Tecniche per l'analisi delle interazioni proteina-DNA. Esercitazione pratica (1 cfu).

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Modulo: MOLECULAR BIOLOGY 2
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Modulo: MOLECULAR BIOLOGY 1
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MOLECULAR BIOLOGY 2
Domande aperte o a scelta multipla scritta e eventuale esame orale

MOLECULAR BIOLOGY 1
Domande aperte o a scelta multipla scritta e eventuale esame orale

MOLECULAR BIOLOGY 2
James D. Watson, Tania A. Baker, Stephen P. Bell, Alexander Gann, Michael Levine, Richard Losick: Molecular Biology of the Gene

oppure

Gene VIII - Lewin et al.

Modulo: MOLECULAR BIOLOGY 2
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Modulo: MOLECULAR BIOLOGY 1
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MOLECULAR BIOLOGY 1
James D. Watson, Tania A. Baker, Stephen P. Bell, Alexander Gann, Michael Levine, Richard Losick: Molecular Biology of the Gene

oppure

Gene VIII - Lewin et al.

Modulo: MOLECULAR BIOLOGY 2
N/D
Modulo: MOLECULAR BIOLOGY 1
N/D

General goals

The course aims to introduce the students to the links between DNA, RNA and protein structure and their relevant biological functions with particular emphasis on the bioinformatic approaches to their analysis.

Specific goals

1. Knowledge and comprehension: the students will have to know the molecular mechanisms which regulate cellular homeostasis and gene expression and the most utilized methodologies in Molecular Biology.

2. Ability in applying Knowledge and comprehension: the students will have to be able to apply this knowledge in the discussion of specific arguments of recent and general interest with a particular focus on the bioinformatic approaches.

3. Abilities in judging methodologic approaches and communication skill: The students will have to show skills in judging strategies in biological problems solving and to communicate their conclusions to the teacher and to the colleagues. This is also applicable to the practical training sessions.

4. The students will have to show skill in applying what they have learned in molecular biology to specific problems to be solved with a bioinformatic approach.

Il corso mira a formare lo studente sull'intimo legame tra la struttura del DNA, dell’RNA e delle proteine e le loro funzioni, approfondendo i meccanismi molecolari che sono alla base dei processi di replicazione e trascrizione, ricombinazione e riparo del DNA, processamento dell’RNA e sintesi proteica e i loro circuiti regolativi.

• Obiettivi specifici:

1.Conoscenza e comprensione: Lo studente dovrà conoscere i meccanismi molecolari di base dell'omeostasi cellulare e della regolazione genica e le tecniche più utilizzate in Biologia Molecolare.

2.Capacità di applicare conoscenza e comprensione: Lo studente dovrà essere in grado di applicare queste conoscenze discutendo argomenti di interesse recente e generale nella ricerca in Biologia Molecolare.

3.Capacità critiche e di giudizio: Lo studente dovrà dimostrare capacità critiche e di giudizio nel risolvere problemi di impostazione dell'indagine biologico molecolare di saper comunicare al docente e ai colleghi le sue conclusioni. Questo anche nel corso delle esercitazioni tecnico-pratiche previste.

4. Lo studente dovrà dimostrare capacità di proseguire l'applicazione degli strumenti di analisi appresi ad esempio sapendo impostare un approccio tecnico ad uno specifico problema di biologia molecolare.

iologia Molecolare I

Il DNA polimorfico - Componenti chimici del DNA: basi, zuccheri e scheletro fosfodiesterico (0,1 cfu). Struttura di base del DNA B (0,2). Conformazioni alternative del DNA, strutture insolite (crociformi, tripla elica) (0,2) - Variabilità conformazionale dei parametri strutturali, curvatura e flessibilità (0,2). Topologia del DNA, avvolgimento e svolgimento; numero di legami; DNA topoisomerasi (0,2). Il codice genetico - la decifrazione del codice; struttura e funzione del codice (0,1). Replicazione del DNA: meccanismi e macchinari nei procarioti e negli eucarioti (0,2). Organizzazione dei repliconi; problemi topologici e di replicazione terminale (0,1). Mutabilità e riparazione del DNA; punti di controllo del danno (0,1). Trascrizione del DNA: trascrizione nei batteri e nei batteriofagi; macchinari trascrizionali e segnali di posizionamento dell'RNA polimerasi (0,2). Approccio metodologico allo studio della trascrizione: sistemi di trascrizione in vitro (0.2). Regolazione della trascrizione nei sistemi procariotici: attivazione e repressione; struttura e funzione degli operoni (0.2). Trascrizione nei sistemi eucariotici (0.1); macchinario trascrizionale e segnali di posizionamento della RNA polimerasi (0.2). Approcci metodologici allo studio della trascrizione: sistemi di trascrizione eucariotici in vitro. Regolazione coordinata delle tre RNA polimerasi eucariotiche (0.2). Fattori di trascrizione e regolazione della trascrizione negli eucarioti (0.2). La molecola di RNA (caratteristiche chimiche e strutturali) (0.2); struttura e funzione di tRNA, rRNA, pre- e mRNA, snRNA e snoRNA (0.2); capping e poliadenilazione dell'mRNA e loro ruolo regolativo (0.2). Struttura di base della cromatina negli eucarioti e nei procarioti (0.2). Struttura dei nucleosomi e ulteriori livelli di organizzazione (0.2). Modifiche istoniche e loro effetti regolatori; il codice istonico (0.2). Metilazione del DNA e suo ruolo regolatore (0.2). Varianti istoniche e loro ruolo regolatore. Struttura della cromatina e rimodellamento della cromatina a livello dei promotori (0.2). Struttura dei cromosomi: centromeri, telomeri e origine della replicazione (0.1).

Tecniche di Biologia Molecolare (0.5 cfu): Purificazione, quantizzazione, marcatura e sequenziamento degli acidi nucleici (introduzione alla NGS); PCR, RT-PCR, Southern e Northern blot; tecniche di clonazione di base. Tecniche per l'analisi delle interazioni proteina-DNA. Esercitazione pratica (1 cfu).

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General goals

The course aims to introduce the students to the links between DNA, RNA and protein structure and their relevant biological functions with particular emphasis on the bioinformatic approaches to their analysis.

Specific goals

1. Knowledge and comprehension: the students will have to know the molecular mechanisms which regulate cellular homeostasis and gene expression and the most utilized methodologies in Molecular Biology.

2. Ability in applying Knowledge and comprehension: the students will have to be able to apply this knowledge in the discussion of specific arguments of recent and general interest with a particular focus on the bioinformatic approaches.

3. Abilities in judging methodologic approaches and communication skill: The students will have to show skills in judging strategies in biological problems solving and to communicate their conclusions to the teacher and to the colleagues. This is also applicable to the practical training sessions.

4. The students will have to show skill in applying what they have learned in molecular biology to specific problems to be solved with a bioinformatic approach.

Il corso mira a formare lo studente sull'intimo legame tra la struttura del DNA, dell’RNA e delle proteine e le loro funzioni, approfondendo i meccanismi molecolari che sono alla base dei processi di replicazione e trascrizione, ricombinazione e riparo del DNA, processamento dell’RNA e sintesi proteica e i loro circuiti regolativi.

• Obiettivi specifici:

1.Conoscenza e comprensione: Lo studente dovrà conoscere i meccanismi molecolari di base dell'omeostasi cellulare e della regolazione genica e le tecniche più utilizzate in Biologia Molecolare.

2.Capacità di applicare conoscenza e comprensione: Lo studente dovrà essere in grado di applicare queste conoscenze discutendo argomenti di interesse recente e generale nella ricerca in Biologia Molecolare.

3.Capacità critiche e di giudizio: Lo studente dovrà dimostrare capacità critiche e di giudizio nel risolvere problemi di impostazione dell'indagine biologico molecolare di saper comunicare al docente e ai colleghi le sue conclusioni. Questo anche nel corso delle esercitazioni tecnico-pratiche previste.

4. Lo studente dovrà dimostrare capacità di proseguire l'applicazione degli strumenti di analisi appresi ad esempio sapendo impostare un approccio tecnico ad uno specifico problema di biologia molecolare.

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Il DNA polimorfico - Componenti chimici del DNA: basi, zuccheri e scheletro fosfodiesterico (0,1 cfu). Struttura di base del DNA B (0,2). Conformazioni alternative del DNA, strutture insolite (crociformi, tripla elica) (0,2) - Variabilità conformazionale dei parametri strutturali, curvatura e flessibilità (0,2). Topologia del DNA, avvolgimento e svolgimento; numero di legami; DNA topoisomerasi (0,2). Il codice genetico - la decifrazione del codice; struttura e funzione del codice (0,1). Replicazione del DNA: meccanismi e macchinari nei procarioti e negli eucarioti (0,2). Organizzazione dei repliconi; problemi topologici e di replicazione terminale (0,1). Mutabilità e riparazione del DNA; punti di controllo del danno (0,1). Trascrizione del DNA: trascrizione nei batteri e nei batteriofagi; macchinari trascrizionali e segnali di posizionamento dell'RNA polimerasi (0,2). Approccio metodologico allo studio della trascrizione: sistemi di trascrizione in vitro (0.2). Regolazione della trascrizione nei sistemi procariotici: attivazione e repressione; struttura e funzione degli operoni (0.2). Trascrizione nei sistemi eucariotici (0.1); macchinario trascrizionale e segnali di posizionamento della RNA polimerasi (0.2). Approcci metodologici allo studio della trascrizione: sistemi di trascrizione eucariotici in vitro. Regolazione coordinata delle tre RNA polimerasi eucariotiche (0.2). Fattori di trascrizione e regolazione della trascrizione negli eucarioti (0.2). La molecola di RNA (caratteristiche chimiche e strutturali) (0.2); struttura e funzione di tRNA, rRNA, pre- e mRNA, snRNA e snoRNA (0.2); capping e poliadenilazione dell'mRNA e loro ruolo regolativo (0.2). Struttura di base della cromatina negli eucarioti e nei procarioti (0.2). Struttura dei nucleosomi e ulteriori livelli di organizzazione (0.2). Modifiche istoniche e loro effetti regolatori; il codice istonico (0.2). Metilazione del DNA e suo ruolo regolatore (0.2). Varianti istoniche e loro ruolo regolatore. Struttura della cromatina e rimodellamento della cromatina a livello dei promotori (0.2). Struttura dei cromosomi: centromeri, telomeri e origine della replicazione (0.1).

Tecniche di Biologia Molecolare (0.5 cfu): Purificazione, quantizzazione, marcatura e sequenziamento degli acidi nucleici (introduzione alla NGS); PCR, RT-PCR, Southern e Northern blot; tecniche di clonazione di base. Tecniche per l'analisi delle interazioni proteina-DNA. Esercitazione pratica (1 cfu).

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Modulo: MOLECULAR BIOLOGY 1
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This course provides the students with the theoretical knowledge and technical skills and introduce them to the structure and properties of pharmaceutical agents and metabolites. The course outlines the structure, bonding and chemical reactivity of various important classes of organic molecules, ranging from simpler examples of hydrocarbons or those containing a single functional group, to some of the important biological molecules such as carbohydrates, nucleic acids and proteins. Topics include basic concepts in medicinal chemistry: 1) the drug discovery and development process, 2) review of organic functional groups found in drug molecules, 3) drug-target interactions, 4) physicochemical properties related to drug action such as acid-base properties, equilibrium, and stereochemistry, 5) Effect of chemical structure on the metabolism of drug molecules. By completing Pharmaceutical Chemistry, the student acquires: 1. Recognize and describe zero-, first- and second-order kinetics, perform elementary calculations of rate constants and appreciate the role of enzymes in catalysis. 2. Integrate knowledge from foundational sciences to explain how specific drugs or drug classes work and evaluate their potential value in individuals and populations. 3. Apply knowledge in foundational sciences to solve therapeutic problems. 4. Demonstrate an understanding of the therapeutic potential of a candidate molecule and how chemical properties can affect its potential to become a new drug.

This course will cover the following topics, which will be also discussed through case studies and evaluation of scientific publications, focusing on research methodology.

• Chemical aspects of drug metabolism: introduction, effects of chemical structure on Phase I oxidative, reductive, and hydrolytic reactions, effects of chemical structure on phase II conjugative reactions (COMT and PNMT-catalyzed methylation, acetylation, sulfation, glucuronidation, amino acid conjugation, mercapturic acid formation), sites of metabolism, metabolic pathways of selected common drugs.
• Hit identification: overview of the drug discovery process; target-based, systems-based and chemocentric drug discovery; de novo drug design vs screening (virtual screening, random screening, high throughput screening); guiding principles and challenges in target-based and phenotypic drug discovery; chemical probes; compound sources for chemical libraries and focused compound collections; fragment-based drug discovery (principles, fragment-based screening, fragment elaboration, fragment-based approved drugs); drug repositioning (principles and challenges, case studies); biological products; innovative chemical modalities for challenging targets: undruggable targets and multispecific drugs (sequentially obligate multispecific drugs, matchmakers, PROTAC). Hit triage and prioritization: physicochemical and substructure filters; PAINS.
• Hit-to-lead development: challenges and objectives; multiparameter optimization; structure-activity relationship; bioisosterism and non-classical isosteres; SAR studies, structure modification strategies and application rules for hit expansion.
• Lead optimization: progression criteria and drug candidate parameters; lead optimization screening plan; main strategies to increase drug-likeness; case studies.
• -Chemical aspects of drug metabolism: introduction, effects of chemical structure on Phase I oxidative, reductive, and hydrolytic reactions, effects of chemical structure on phase II conjugative reactions (COMT and PNMT-catalyzed methylation, acetylation, sulfation, glucuronidation, amino acid conjugation, mercapturic acid formation), sites of metabolism, metabolic pathways of selected common drugs.
• - Hit identification: overview of the drug discovery process; target-based, systems-based and chemocentric drug discovery; de novo drug design vs screening (virtual screening, random screening, high throughput screening); guiding principles and challenges in target-based and phenotypic drug discovery; chemical probes; compound sources for chemical libraries and focused compound collections; fragment-based drug discovery (principles, fragment-based screening, fragment elaboration, fragment-based approved drugs); drug repositioning (principles and challenges, case studies); biological products; innovative chemical modalities for challenging targets: undruggable targets and multispecific drugs (sequentially obligate multispecific drugs, matchmakers, PROTAC). Hit triage and prioritization: physicochemical and substructure filters; PAINS.
• Hit-to-lead development: challenges and objectives; multiparameter optimization; structure-activity relationship; bioisosterism and non-classical isosteres; SAR studies, structure modification strategies and application rules for hit expansion.
• Lead optimization: progression criteria and drug candidate parameters; lead optimization screening plan; main strategies to increase drug-likeness; case studies.

The knowledge of the students is tested through written examinations.

The modern drug discovery process

The course aim to introduce the algorithmic approach to solving problems correctly and efficiently. Algorithms are ubiquitous in bioinformatics and are often at the interface of computer science and biology. Well established algorithmic techniques will be studied as well as ways to encode them in a computer programme using python.

The course aim to introduce computational thinking and the algorithmic approach to solving problems correctly and efficiently. Algorithms are ubiquitous in bioinformatics and are often at the interface of computer science and biology. We will introduce the algorithmic approach and the theory of algorithms for studying correctness and efficiency, understanding what makes a good algorithm and how to classify them.

We will study characteristic algorithmic techniques and the related computational ideas that are relevant to the field of biology and how to select the most suitable to solve a given task. Topics covered include

• Searching algorithms
• Dynamic programming algorithms
• Graph-based algorithms
• Divide-and-Conquer algorithms
• Clustering and Tree-based algorithms
• Randomized Algorithms

We will work with Python and how to write a computer program encoding a given algorithm. We will work with Amazon's AWS and how to use cloud resources to efficiently execute our python programs on large datasets.

The detailed program of the course and the corresponding material is available on the Google Classroom system and on the web page of the instructor:

https://marcozecchini.github.io/Teaching/Bioinformatics/PCSII

• An Introduction to Bioinformatics Algorithms
• Testi di riferimento: An Introduction to Bioinformatics Algorithms

The exam consists of a written exam. More details will be given during the lectures.

NEIL C. JONES AND PAVEL A. PEVZNER: An Introduction to Bioinformatics Algorithms, The MIT Press, Cambridge, Massachusetts, London, England, 2004.

NEIL C. JONES AND PAVEL A. PEVZNER: An Introduction to Bioinformatics Algorithms, The MIT Press, Cambridge, Massachusetts, London, England, 2004.

General objectives: Acquire basic knowledge on fundamental algorithm design techniques and techniques to analyze the correctness and the complexity of an algorithm.
Specific objectives:
Knowledge and understanding: At the end of the course, the student knows: - fundamental algorithm design techniques, - techniques to analyze the correctness and the efficiency of an algorithm.
Apply knowledge and understanding: At the end of the course, the student is able to: - analyze the complexity of a problem using rigorous mathematical tools, - analyze existing algorithms and data structures, - design and analyze new algorithms and data structures for simple real-life-problems.
Critical and judgmental skills: The student, at the end of the course, should be able to autonomously choose which algorithmic technique is best suited for a given problem and to evaluate among several algorithmic solutions for a certain problem which one should prefer.
Communication skills: The student will acquire the ability to express an algorithmic idea through the use of pseudocode.
Learning ability: The student will acquire the ability to analyze a problem, and to design the necessary data structures and the correct and efficient algorithms for the problem.

Algoritmi

Gale-Shapley

Greedy: Interval Scheduling, Interval Partitioning, Codici di Huffman

Programmazione dinamica: Weighted Interval Scheduling, Segmentation, Subset-Sum

Introduzione agli Algoritmi di approssimazione e ad online learning (problema degli esperti)

• Introduzione agli algoritmi
• Testi di riferimento: "Design of Algorithms", Jon Kleinberg and Eva Tardos - Capitolo 1
• L’algoritmo di Gale-Shapley
• Testi di riferimento: "Design of Algorithms", Jon Kleinberg and Eva Tardos - Capitolo 1
• Limiti di tempo di esecuzione e notazione asintotica
• Testi di riferimento: "Design of Algorithms", Jon Kleinberg and Eva Tardos - Capitolo 2.1, 2.2
• Strutture dati
• Testi di riferimento: "Design of Algorithms", Jon Kleinberg and Eva Tardos - Capitolo 2.3, 2.4, 2.5
• Algoritmi greedy
• Testi di riferimento: "Design of Algorithms", Jon Kleinberg and Eva Tardos - Capitolo 4.1
• Interval Scheduling
• Testi di riferimento: "Design of Algorithms", Jon Kleinberg and Eva Tardos - Capitolo 4.1
• Interval Partitioning
• Testi di riferimento: "Design of Algorithms", Jon Kleinberg and Eva Tardos - Capitolo 4.1
• Posizionamento di trasmettitori radio
• Grafi
• Testi di riferimento: "Design of Algorithms", Jon Kleinberg and Eva Tardos - Capitolo 3
• Algoritmo di Dijkstra
• Testi di riferimento: "Design of Algorithms", Jon Kleinberg and Eva Tardos - Capitolo 4.4
• Heap
• Testi di riferimento: "Design of Algorithms", Jon Kleinberg and Eva Tardos - Capitolo 2.5
• Code di priorità e cammini minimi
• Testi di riferimento: "Design of Algorithms", Jon Kleinberg and Eva Tardos - Capitolo 2.5 , 4.4
• Codifica con prefisso
• Testi di riferimento: "Design of Algorithms", Jon Kleinberg and Eva Tardos - Capitolo 4.8
• Algoritmo di Huffman (1)
• Testi di riferimento: "Design of Algorithms", Jon Kleinberg and Eva Tardos - Capitolo 4.8
• Algoritmo di Huffman (2)
• Testi di riferimento: "Design of Algorithms", Jon Kleinberg and Eva Tardos - Capitolo 4.8
• Weighted Interval Scheduling
• Testi di riferimento: "Design of Algorithms", Jon Kleinberg and Eva Tardos - Capitolo 6.1, 6.2
• Segmentazione
• Testi di riferimento: "Design of Algorithms", Jon Kleinberg and Eva Tardos - Capitolo 6.3
• Subset Sum
• Testi di riferimento: "Design of Algorithms", Jon Kleinberg and Eva Tardos - Capitolo 6.4
• Bellman-Ford
• Testi di riferimento: "Design of Algorithms", Jon Kleinberg and Eva Tardos - Capitolo 6.8, 6.9
• Divide-and-Conquer
• Testi di riferimento: "Design of Algorithms", Jon Kleinberg and Eva Tardos - Capitolo 5
• Moltiplicazione di interi
• Testi di riferimento: "Design of Algorithms", Jon Kleinberg and Eva Tardos - Capitolo 5.5
• P e NP
• Testi di riferimento: "Design of Algorithms", Jon Kleinberg and Eva Tardos - Capitolo 8
• Vertex Cover
• Testi di riferimento: "Design of Algorithms", Jon Kleinberg and Eva Tardos - Capitolo 8

Prova scritta

• Tipologia: test individuale composto da quesiti a risposta aperta e problemi pratici di analisi e progettazione di algoritmi.
• Obiettivi: verificare la conoscenza dei concetti teorici di base e la capacità di progettare e analizzare algoritmi.
• Criteri di valutazione: correttezza delle risposte, chiarezza e completezza delle spiegazioni, correttezza degli algoritmi proposti e capacità di analizzarne complessità e prestazioni.

Valutazione finale

• Il voto è espresso in trentesimi.
• Per superare l’esame (18/30), lo studente deve dimostrare di aver acquisito una conoscenza sufficiente dei concetti fondamentali di algoritmi e di saper risolvere problemi pratici con algoritmi corretti e analisi elementari della complessità.
• Per conseguire il punteggio massimo (30/30 e lode), lo studente deve dimostrare una conoscenza eccellente dei concetti trattati durante il corso, essere in grado di risolvere problemi complessi proponendo algoritmi corretti ed efficienti, in modo coerente e giustificare le scelte progettuali con spiegazioni rigorose e complete.

"Algorithm Design", Kleinberg, Tardos

Dispense fornite dal docente

"Algorithm Design", Kleinberg, Tardos

"Introduction to Algorithms", Cormen, Leiserson, Rivest, Stein

"Automata and computatability", Kozen

The Bioethics course provides the students with tools to understand, discuss, present and address ethical issues relevant to bioinformatics, at the intersection between biological and technological sciences. In order to respond to the course requirements, the students will also acquire general skills such as doing a bibliographic research on academic databases, speaking and arguing in public by using specialized bioethical concepts and theories, and writing a little paper in an academic format including a bibliography.

Il corso copre i seguenti argomenti: introduzione generale all'etica per bioscienziati; fondamenti di logica e psicologia del ragionamento per la bioetica; storia della bioetica; teoria etiche per la bioetica, naturalismo/anti-naturalismo e pragmatismo in bioetica; approcci su principi e su casi; etica della ricerca e integrità della ricerca; etica della genetica; potenziamento genetico e cerebrale; biobanche e uso dei dati genetici nei contesti giuridici; etica delle information technologies e nuove sfide dall'Intelligenza Artificiale; neuroetica; etica delle neurotecnologie; basi biologiche della moralità.

Esempi, casi studio e attività pratiche riguarderanno argomenti popolari nei dibattiti bioetici contemporanei (cellule staminali, clonazione, GMOs, fine vita, vaccini, privacy (genetica), sperimentazione animale, protesi, riproduzione assistita, ecc.).

Alcune questioni innovative nelle biotecnologie verranno presentate e discusse da un punto di vista etico: organoidi cerebrali, macchine morali, chimere, interfaccia uomo-macchina, editing genetico, ecc.

• Introduzione all'etica per bioinformatici
• Testi di riferimento: Slide della docente
• - Testi di riferimento: Slide della docente
• Introduzione alla logica e teoria dell'argomentazione
• Le fallacie argomentative in bioetica
• I bias cognitivi nel ragionamento medico
• Storia dell'etica medica e bioetica
• Teorie della bioetica
• Approcci in bioetica
• Naturalismo/anti-naturalismo in bioetica
• Integrità della ricerca
• Etica della genetica: libero arbitrio e determinismo
• Potenziamento genetico e neurocognitivo
• Potenziamento morale
• Etica dell'intelligenza artificiale
• Neuroetica

L'esame consiste in due parti:

• compito scritto nelle date d'esame;
• un'altra attività obbligatoria tra: presentazione orale (per frequentanti) / presentazione video-registrata o tesina (non frequentanti).

Per i frequentanti: Presentazione in PowerPoint davanti alla classe. Linee guida e altri dettagli saranno forniti in aula.

Per i non frequentati: Presentazione video-registrata (o, in casi eccezionali, un elaborato scritto) da consegnare almeno dieci giorni prima della data del test. Le linee guida saranno fornite dalla docente.

Il voto è in trentesimi ed è una media tra le due parti di esami. La valutazione tiene conto della conoscenza della letteratura, qualità delle argomentazioni personali e capacità di strutturare formalmente la presentazione o tesina.

Testi richiesti:

• slide del docente
• lista bibliografica obbligatoria (vedere sotto).

Le letture (articoli, capitoli di libro in lingua inglese) vengono fornite agli studenti prima, durante o al termine delle lezioni.

Le slide e tutta la bibliografia obbligatoria viene caricata dal docente in pdf sulla pagina E-learning Sapienza (Moodle) al termine di ogni lezione.

Lista delle letture di seguito (alcune variazioni possono essere proposte durante il corso, anche dagli studenti, sulla base dei loro interessi personali).

Lecture 1 Intro to ethics for bioscientists

No readings

Lecture 2-3-4 Epistemology, logic and psychology: Demarcation science/pseudoscience/fallacies and cognitive biases

• Chapter 4 Fallacies in Irving M. Copi, Carl Cohen, Kenneth McMahon, Introduction to Logic, Pearson Education Limited 2014
• Blancke S., De Smedt J. Evolved to Be Irrational? Evolutionary and Cognitive Foundations of Pseudosciences (Ch3) In: Pigliucci M. & Boundry M. (2013) Philosophy of Pseudoscience, University of Chicago Press, Chicago

Lecture 5 History of Bioethics

• Kuhse H., Singer P. (2009), What Is Bioethics? A Historical Introduction, IN: A Companion To Bioethics, Blackwell Publishing Ltd.

Lecture 6 Ethical Theories

• A Companion to Bioethics: PART III Ethical Approaches: Chapter 7 Principle-based approach (by J. Childress), Chapter 9 A utilitarian Approach (by RM Hare), Chapter 10 Virtue ethics (by J Oakley), Chapter 11 A care approach (by RC Manning), Chapter 12 A case approach (by J Arras) pp. 65-125 (NO CHAPT 8!)

Lect 7 Past presentations, how to present, discussion in class (COVID measures/policies in the different countries)

Tips for presentations, file on the Moodle page.

Lect 8 Discussion in class * (This reading may change!)

-Savulescu J., Cameron J. (2020) Why lockdown of the elderly is not ageist and why levelling down equality is wrong, J Med Ethics

Lect 9 Approaches

• Same readings of Lect 6 (especially Ch. 7-11-12)

Lect 10 Genethics

• Reisnek D., Vorhaus D.B. (2006) Genetic modification and genetic determinism Philosophy, Ethics, and Humanities in Medicine 2006, 1:9
• Savulescu J., Singer P. (2019) An ethical pathway for gene editing, Bioethics, 33(2):221-222.

Lect 11 Enhancement

On genetic enhancement:

• (in favor) Harris J. (2007) Enhancing evolution, ONLY CHAPT. 5 (Reproductive Choice and the Democratic presumption) AND 9 (Designer Children)
• (against) Sandel M. (2009) The case against perfection, in Savulescu J., Bostrom N., Human enhancement, OUP

On moral enhancement:

• (in favor) Savulescu, Julian and Persson, Ingmar (2012) Moral Enhancement, Freedom and the god machine, The Monist, 95: 3, 399–421.
• (against) Harris J. (2016) Moral Blindness – The Gift of the God Machine, Neuroethics

For the different arguments in favor/against please see Section 2 (The ethics of enhancement) from this entry on SEP: https://plato.stanford.edu/entries/neuroethics/#EthiEnha

Lect 12 Neuroethics

• Liao S. M., Sirgiovanni E. (2018) Neuroethics: Challenges and Opportunities, in Europa: Scienza e Tecnologia, Treccani
• Greene J. (2016) Beyond shooting morality, In Liao S.M. Moral Brains OUP

Lect 13 AI ethics and moral machines

• ONLY CHAPTER 9 (The control problem) and CHAPTER 12 (Acquiring values) from Bostrom N. (2014), Superintelligence, OUP

Lect 14 Research integrity

• ALLEA (2017) The European Code of Conduct for Research Integrity, available online: https://ec.europa.eu/research/participants/data/ref/h2020/other/hi/h2020-ethics_code-of-conduct_en.pdf
• Corbellini G, Sirgiovanni E, Science, self-control and human freedom: a naturalistic approach, CH 13 Manchester University Press.

This course offers an introduction to network medicine, a rapidly emerging field that integrates systems biology and network science. It runs counter to the prevailing scientific reductionist trend that dominates current medical research on disease etiology and treatment. Reductionism relies on single molecules or single genes to provide comprehensive and robust insights into the pathophysiology of complex diseases. Similarly, current drug development methodologies target single molecules that very frequently fail because of the unforeseen and unintended effects that result from the application of this piecemeal approach to pharmacology. In contrast, network medicine emphasizes a more holistic approach through the identification and investigation of networks of interacting molecular and cellular components. When network medicine is integrated into biomedical research, it has the potential to transform investigations of disease etiology, diagnosis, and treatment.
The course will explore the concept of network medicine through: (1) a review of the role, identification, and behavior of networks in biology and disease, (2) the integration of multiple types of -omics data into networks as a paradigm for understanding disease expression and course, and (3) systems pharmacology approaches for the development and evaluation of effective therapies of complex disease.
Moreover, this course will provide hands-on experience in the analysis of two specific types of biological networks—gene co-expression networks and drug-disease networks. During the course, attendees will apply the theory to real data sets. After completing the course, attendees should to be able to apply these methods in their own research.
The course goals are:
Understand the role of networks in biology and disease. Understand networks as a paradigm for disease expression and course. Understand the challenges of developing effective therapies for complex diseases. Understand the role of omics data in networks. Understand network medicine in terms of investigation for disease etiology, diagnosis, and treatment.

1 - Introduction to Network Medicine

2 - Algorithms based on gene expression networks (SWIM and WGCNA)

3 - Disease genes and algorithm for disease genes identification (DIAMOND)

4 - Introduction to drug repurposing and drug-disease networks

5 - Algorithms based on drug-disease networks (BiRW and SAveRUNNER)

6 - Practice

• 8 ore
• Testi di riferimento: slides
• 16 ore
• Testi di riferimento: slides
• 4 ore
• Testi di riferimento: slides
• 4 ore
• Testi di riferimento: slides
• 8 ore
• Testi di riferimento: slides
• 8 ore

Gli studenti sono invitati a scegliere un progetto tra quelli proposti dal docente.

L'esame finale consisterà in una presentazione orale del progetto prescelto seguita da domande del docente.

La valutazione finale sarà finalizzata a definire la capacità dello studente di esposizione sintetica, ragionamento e lavoro autonomo.

Per la valutazione finale verrà preso in considerazione anche il punteggio riportato per ogni compito a casa.

Slide fornite durante il corso

Scientific Reports (2021), 11:1, 14677

BMC Bioinformatics (2021), 22:150

PLoS Computational Biology (2021), 17(2):e1008686

npj Systems Biology and Applications (2021), 7(1):3

WIREs Systems Biology and Medicine (2020), 12:e1489

Biochimica et Biophysica Acta - Gene Regulatory Mechanisms (2020), 1863(6),194416

Scientific Reports (2020), 10:1, 3361

BMC Bioinformatics (2019), 20(1):545

BMC Bioinformatics (2018), 19(Suppl 15):436

Genes (2018), 9(9):437

Scientific Reports (2018), 8(1):7769

Scientific Reports (2017), 7:44797

Plant Cell (2014), 26(12), pp. 4617-4635

General skills A modern plant pathologist has to face this complex reality, plan experiments at real scale, "sucks the marrow out of -omics" (par. Walt Whitman) by using bioinformatics tools, individuate biocontrol agents and stimulate plant self-defences. In relation to this, the main aim of this course is forming young scientists in managing plant diseases tout court by the mean of the -omics plus bioinformatics tools Specific skills A) Knowledge and understanding - Introduction to Plant Pathology: the concept of disease - The Pathogens: from virus to fungi, different strategies for different pathogens - The Pathobiome concept - Integrated Pest Management: how to couple food security with food safety - Pathogenomics; how genomics meets pathogen B) Applying knowledge and understanding - how using specific terminology of a plant pathologist - Identify the main factors causing disease in major crops - Establish the salient features of a cycle of infection of a pathogen - Identify important activities and genes in plant resistance - Identify the important activities and genes in the virulence of pathogens - Outline novel strategies for controlling plant diseases C) Making judgements - Identification of new perspectives / development strategies for the protection of crops - Evaluation, interpretation and reprocessing of literature data in the field of molecular plant-microbe interactions D) Communication skills - Ability to illustrate the results of research and experimentation carried out in the context of the exercises - Ability to understand manuscripts in English and to indicate the salient features of the oral exam E) Learning skills - Learn the specific terminology of plant pathologist - Logically connect the acquired knowledge in the field of molecular plant-microbe interactions - Identify the most relevant topics of the subjects dealt with - how consulting specialist databases (e.g. ncbi, kegg, string, uniprot)

The main learning objectives of Complex Biomolecular Networks are to develop students’ ability to design, analyze, and implement algorithms for the computational analysis of biological data, with a focus on genomic sequences and molecular networks. Students will learn how to evaluate algorithmic complexity, apply graph-theoretic methods to biological problems, and use probabilistic models such as Markov chains and Hidden Markov Models to model molecular processes. They will gain practical experience in writing Python programs that implement bioinformatics algorithms and in leveraging cloud computing platforms like AWS to process large datasets efficiently. By the end of the course, students will be able to formulate biological questions in computational terms, design appropriate algorithmic solutions, and critically assess the computational challenges and limitations inherent in bioinformatics analyses.

The final exams consists of writing, presenting and discussing a thesis, developed autonomously by the students, which illustrates in a coherent and detailed manner the problem tackled during the practical training and all the activities carried out to develop its solution.

Gli studenti stranieri potranno utilizzare parte dei crediti (6 CFU) per acquisire ulteriori conoscenze linguistiche ottenendo un livello B2 in italiano.

Il programma si basa su attività di lettura, discussione critica e presentazione di articoli scientifici.

• Discussione di articoli scientifici nell'ambito delle neuroscienze umane
• Testi di riferimento: Articoli scientifici
• Presentazione di articoli scientifici nell'ambito delle neuroscienze umane
• Testi di riferimento: Articoli scientifici

Articoli scientifici condivisi durante il corso.

General skills The new generation of sequencing technologies has provided unforeseen chances for high-throughput functional genomic studies. These technologies have been applied in a variety of contexts, including whole-genome sequencing, discovery of transcription factor binding sites, mapping out the DNA accessibility and RNA expression profiling. Intriguingly, recent annotation efforts focused on the discovery of novel noncoding RNA genes and regulatory elements that control temporal or spatial gene expression along cell differentiation. The course of Molecular Biology and Genomics is designed to provide students with an introduction to the structure and function of genomes and transcripts in humans and in other model organisms. Topics discussed will include modern genome sequencing technologies, as well the recent in silico and in vivo approaches used for functional genomics and for the functional role of emerging non-coding RNA classes (practical examples taken from recent literature will be used). The course also provides students with basic knowledge for accessing browsers and public databases for the analysis of gene expression data, GO and miRNA target prediction software. By the end of the course, students will be able to apply the acquired knowledge to the study of the basic mechanisms of gene expression, as well as of complex processes such as development, cell division and differentiation, and to exploit them for a practical use in both basic and applied research.
Specific skills The students who have passed the exam will be able to know and to understand (acquired knowledge)

• the origin and the maintenance of the biological complexity; - the structure and function of the genome in humans and in the main model systems; - the problems and technologies of genome-wide analyses applied to biological processes; - the influence of the modern sequencing technologies for a better description and for the study of transcriptome dynamics in humans and in the main model systems; - the network of interactions between the biological molecules in the mechanisms of regulation of gene expression.
  The students who have passed the exam will be able to (acquired expertise): - interpret the biological phenomena in a multi-scale and multi-factorial context; - interpret the results of genomic studies and to discriminate which techniques to apply according to the different problems to be dealt with in the genomic field; - report works already present in the literature in the form of an oral presentation.

Il corso prevede 48 ore di lezioni teoriche, esercizi al computer e seminari.

Biologia Molecolare (24 ore)

Introduzione al Genoma ed alla complessità funzionale dei sistemi eucarioti. Cenni sui meccanismi di maturazione dell’RNA: capping, splicing e poliadenilazione. Splicing alternativo e regolazione dello splicing; Elementi di terapia genica (Distrofia Muscolare di Duchenne); Esporto e stabilità dell’RNA; Struttura della cromatina e modificazioni istoniche; Il modello dell’mRNA Factory: RNA non codificanti (ncRNA); RNA interference: scoperta, meccanismi di azione e fattori coinvolti; microRNA (miRNA): biogenesi, meccanismi di azione e ruolo nel differenziamento e nella proliferazione; long non-coding RNA (lncRNA); RNA circolari RNA (circRNAs); RNAi e cromatina.

Genomica Strutturale (12 ore).

Evoluzione del concetto di gene: dalle teorie di Darwin sull’ereditarietà all’Era post-genomica; il Progetto Genoma Umano; il Progetto Encode.

Tecnologie di sequenziamento del DNA e del genoma (Sanger, Maxam-Gilbert, BAC). Sequenziamento automatizzato e Next-Generation Sequencing (NGS). La tecnologia "Illumina". Anatomia dei genomi, grandezza del genoma e numero di geni. Il DNA non codificante (ncDNA).

Tecnologie di sequenziamento dell’RNA. Il trascrittoma e l’analisi high-throughput dell’espressione genica; WET lab e DRYLAB applicati all’analisi di un tipico esperimento di RNA-seq (FASTQ, PHRED quality score, FASTQC). Identification de-novo e analisi dell’espressione differenziale di mRNA e RNAs non-codificanti (ncRNA).

Approcci genetici e biochimici per lo studio dell’interattoma. Il sistema del “two-hybrid”; Immunoprecipitazione, Co-immunoprecipitazione, Protein tagging e saggi di pull-down. Studio delle interazioni tra PROTEINE (ChIP) e RNA (ChIRP) con la cromatina: le tecniche di i) Chromatin Immunoprecipitation (ChIP) e di ii) Chromatin Isolation by RNA Purification (ChIRP). Identificazione e studio di domini topologici (TADs). 3C, 5C, Hi-C e ChIA-PET.

Genomica Funzionale (6 ore).

Approcci di genetica Forward e Reverse. Sistemi modello: pros e cons. Editing Genomico: il sistema CRISPR/CAS9. Screening omici basati su RNAi e CRISPR. Analisi funzionale di mRNA e non-coding RNA (ncRNA) in sistemi di differenziamento muscolari e neuronali (topo e uomo).

Risorse web per l’analisi in silico di dati genomici (6 ore).

Esercizi in aula informatizzata. Elaborazione ed interpretazione di dati genomici. Database biologici (primari, secondari, specializzati); il formato FLAT; NCBI: accesso via Taxonomy, Gene; Protein Map Viewer, Pubmed and Pubmed MeSH, Entrez; Genome browsers (UCSC), Ensembl, DDBJ, UniProt; Elementi di gene ontology (GO). miRBase, TargetScan e miRTARBASE.

La prova d’esame ha l’obiettivo di verificare il livello di conoscenza ed approfondimento degli argomenti del programma dell’insegnamento e la capacità di ragionamento sviluppata dallo studente. La valutazione è espressa in trentesimi (voto minimo 18/30, voto massimo 30/30 con lode).

La valutazione consiste di una prova orale e di una prova pratica al computer della durata complessiva di 40-60 minuti svolte nello stesso giorno dal docente di riferimento. L’esame consente di verificare il raggiungimento degli obiettivi in termini di conoscenze e competenze acquisite così come le abilità comunicative. In particolare, nella prova orale vengono valutate la proprietà di linguaggio, la chiarezza espositiva e la capacità critica di fronte a problemi genomici. Nella prova pratica (al computer) si valuteranno le capacità del candidato di applicare le competenze acquisite nella consultazione di database biologici e nell'analisi di dati di trascrittomica attraverso Zenbu e UCSC.

Il voto finale risulterà dalla media fra l'esposizione orale e la prova pratica al computer

Libri di testo:

• R.F. Weaver Molecular Biology, Mc Graw Hill, V Edition
• Watson J.D. et al Molecular Biology of the Gene, Zanichelli VII Edition
• Arthur M. Lesk 2009, “INTRODUZIONE ALLA GENOMICA”, Zanichelli
• Greg Gibson, Spencer V. Muse 2004, “INTRODUZIONE ALLA GENOMICA”, Zanichelli
• Tom Strachan, Judith Goodship, Patrick Chinnery 2016, “GENETICA E GENOMICA”, Zanichelli

Per un immediato aggiornamento dei testi o del materiale didattico distribuito dal docente consultare la pagina web del corso:

https://elearning.uniroma1.it/course/view.php?id=4530

Biotechnology and genomics in medicine. Sandy B. Primrose, Richard M. Twyman. Genomics: Applications in Human Biology, Chapter I.

The Ever-Evolving Concept of the Gene: The Use of RNA/Protein Experimental Techniques to Understand Genome Functions. Cipriano A, Ballarino M. Front Mol Biosci. 2018 Mar 6;5:20. doi: 10.3389/fmolb.2018.00020. eCollection 2018. Review.

RNA regulation: a new genetics? Mattick JS. Nat Rev Genet. 2004 Apr;5(4):316-23. Review.

The relationship between non-protein-coding DNA and eukaryotic complexity. Taft RJ, Pheasant M, Mattick JS. Bioessays. 2007 Mar;29(3):288-99.

Next-generation sequencing: from basic research to diagnostics. Voelkerding KV, Dames SA, Durtschi JD. Clin Chem. 2009 Apr;55(4):641-58. doi: 10.1373/clinchem.2008.112789. Epub 2009 Feb 26. Review.

What is bioinformatics? A proposed definition and overview of the field. Luscombe NM, Greenbaum D, Gerstein M. Methods Inf Med. 2001;40(4):346-58. Review.

A survey of best practices for RNA-seq data analysis. Conesa A, Madrigal P, Tarazona S, Gomez-Cabrero D, Cervera A, McPherson A, Szcześniak MW, Gaffney DJ, Elo LL, Zhang X, Mortazavi A. Genome Biol. 2016 Jan 26;17:13. doi: 10.1186/s13059-016-0881-8. Review.

Comparison of RNA-Seq and microarray in transcriptome profiling of activated T cells. Zhao S, Fung-Leung WP, Bittner A, Ngo K, Liu X. PLoS One. 2014 Jan 16;9(1):e78644. doi: 10.1371/journal.pone.0078644. eCollection 2014.

Next-generation sequencing: from basic research to diagnostics. Voelkerding KV, Dames SA, Durtschi JD. Clin Chem. 2009 Apr;55(4):641-58. doi: 10.1373/clinchem.2008.112789. Epub 2009 Feb 26. Review.

Library construction for next-generation sequencing: Overviews and challenges. Steven R. Head, H. Kiyomi Komori, Sarah A. LaMere, Thomas Whisenant, Filip Van Nieuwerburgh, Daniel R. Salomon, Phillip Ordoukhanian. Biotechniques. 2014; 56(2): 61–passim. doi: 10.2144/000114133

A Mouse Geneticist’s Practical Guide to CRISPR Applications. Priti Singh, John C. Schimenti, Ewelina Bolcun-Filas. Genetics. 2015 Jan; 199(1): 1–15. doi: 10.1534/genetics.114.169771

Prevention of muscular dystrophy in mice by CRISPR/Cas9–mediated editing of germline DNA. Chengzu Long, John R. McAnally, John M. Shelton, Alex A. Mireault, Rhonda Bassel-Duby, Eric N. Olson. Science. 2014 Sep 5; 345(6201): 1184–1188. doi: 10.1126/science.1254445

Yeast Two-Hybrid Screen. Lauren Makuch. Methods in Enzymology, Volume 539, Chapter III.

The art and design of genetic screens: Caenorhabditis elegans. Nat Rev Genet. Jorgensen EM, Mango SE. 2002 May;3(5):356-69. Review.

Drosophila, the golden bug, emerges as a tool for human genetics. Bier E. Nat Rev Genet. 2005 Jan;6(1):9-23. Review.

From sequence to phenotype: reverse genetics in Drosophila melanogaster. Adams MD, Sekelsky JJ. Nat Rev Genet. 2002 Mar;3(3):189-98. Review.

The art and design of genetic screens: Drosophila melanogaster. St Johnston D. Nat Rev Genet. 2002 Mar;3(3):176-88. Review.

The art and design of genetic screens: mammalian culture cells. Grimm S. Nat Rev Genet. 2004 Mar;5(3):179-89. Review.

The art and design of genetic screens: mouse. Kile BT, Hilton DJ. Nat Rev Genet. 2005 Jul;6(7):557-67. Review.

The art and design of genetic screens: zebrafish. Patton EE, Zon LI. Nat Rev Genet. 2001 Dec;2(12):956-66. Review.

Chen S, Sanjana NE, Zheng K, Shalem O, Lee K, Shi X, Scott DA, Song J, Pan JQ, Weissleder R, Lee H, Zhang F, Sharp PA. Genome-wide CRISPR screen in a mouse model of tumor growth and metastasis. Cell. 2015 Mar 12;160(6):1246-60.

The course gives an introduction on the basic tools for mathematical modeling and solving decision and optimization problems that arise in bioinformatics. At the end of the course, students should be able to recognize such problems, build mathematical models for them, and solve them using a number of modeling techniques and solution algorithms, also by means of specific software tools.
Expected learning outcomes (Dublin Descriptors):
1. Understand all basic mathematical aspects of solving linear, linear integer, and nonlinear convex optimization problems. Understand main modeling techniques in mathematical programming.
2. Be able to develop an optimization model from a decision problem with quantitative data. Be able to select and use suitable software to solve such model.
3. Be able to identify weaknesses of optimization models and limits of numerical solvers (students develop these abilities also during any practical test of the course when they practically solve relevant decision problems).
4. Be able to describe any aspect of a mathematical program and of the main algorithms for the solution of linear, linear integer, and nonlinear programs (students develop these abilities also during any practical test of the course when they practically solve relevant decision problems by working in groups).
5. Get mathematical basis to self-study solution techniques for complex mathematical programs such as nonconvex and multi-objective programming.

Basic training in laboratorytechniques aimed to improve professionalization.

General skills
The course of Plant Functional Genomics aims to provide advanced knowledge of plant genomes, with particular attention to the use of this knowledge in order to identify new genes and determine their function.
Specific skills
A) Knowledge and understanding
To acquire detailed knowledge of: - methods of analysis of plant genomes and the peculiar difficulties related to these organisms (polyploidy, repetitive DNA); - the structure of the plant nuclear and plastidic genomes; - genome comparison methods, with particular attention to the identification of homologous, orthologue and paralogue genes; - methods of transfer of information on genes from model species to species of agricultural interest; - methods of integration of genomics and gene expression analysis data; - methods and approaches to study of the function of genes in model species and in crops, with approaches of direct and reverse genetics; - methods of transient and stable transformation; - identification and use of molecular markers in plant genetics; - use of genomic data to identify genes involved in agronomic traits. - the mechanisms of epigenetic regulation in plants and the methods to study them; - silencing and "genome editing" mechanisms in plant organisms;
B) Applying knowledge and understanding

• design experiments aimed at defining the function of a gene through reverse genetic approaches; - design genetic screening in plant model systems and outline the main lines of identification of a mutation; - understand and critically discuss the different approaches used to alter the expression of a gene in a plant and choose the most appropriate one according to the needs and the experimental model; - designing the engineering of new traits in plant organisms.
  C) Making judgements
• Critical judgment skills, through the study of reviews and scientific articles on key aspects of the field and in-depth discussions; - Ability to evaluate the correctness and scientific rigor in the topics related to the topics covered by the course.
  D) Communication skills
• Acquisition of adequate skills and useful tools for communication in Italian and in foreign languages (English), through the use of graphic and formal languages, with particular regard to the scientific language.
  E) Learning skills - Ability to interpret and deepen knowledge; - Ability to use cognitive tools for continuous updating of knowledge; - Ability to compare for the consolidation and improvement of knowledge.

OVERALL OBJECTIVES: The general aim of this course is to give to the student the basic knowledge concerning: 1) the fundamental molecular mechanisms that regulate human disease processes; 2) how recent biotechnological advances and next generation sequencing approaches can be integrated in the characterization of the pathologies; 3) the different types of genetically modified murine models for the study and the cure of human pathologies; 4) the main bioinformatic tools in this field.
SPECIFIC OBJECTIVES: At the end of the course the student will be able, by applying the knowledge acquired during the course: 1) perform bibliographic searches on international databases; 2) perform data mining on most widely used databases 3) integrate notions acquired during lectures and international scientific literature; 4) understand the principal mechanisms of most common pathologies and how these can be studied with the aid of next generation sequencing approach; 4) to hypothesize the generation of animal models for the pathophysiological study of human diseases and for the identification of therapeutic targets; 5) to critically evaluate the best bioinformatic tools for achieving these results or alternatively, to pursue the replacement of animal experimentation.
KNOWLEDGE AND UNDERSTANDING: At the end of the course the student woud be able to know: Concept and causes of alteration in the cell, from homeostasis to disease; Next generation Sequencing (NGS) technique used for different applications, from the study of genomes, chromatin accessibility and trascriptome; Molecular and cellular pathology of cancer; Pathogenetic mechanisms of non-coding RNAs; Stem cells: embryonic stem cells, tissue stem cells and cancer stem cells; advantages and limits of genetically modified murine models; the basic technical and bioinformatic tools concerning the generation, the characterization and the maintenance of murine colonies; the specific traits of the different types of genetically modified murine models, both conventional and conditional; the bioinformatic tools to potentially validate mouse models of human diseases.
APPLYING KNOWLEDGE AND UNDERSTANDING: To apply the acquired knowledge to integrate information gathered from different sources (datasets, material obtained during lectures, and scientific literature); to understand different mechanisms that contribute to pathogenesis and how these mechanisms can be studied, with particular focus on NGS-based technologies; to discriminate advantages and limits in generating and using different types of genetically modified murine models for the study and the cure of human pathologies; to critically evaluate the bioinformatic means available to pursue these aims.
MAKING JUDGEMENTS: The student will be able to link the different types of notions acquired during the course to elaborate the most appropriate experimental strategy based on bioinformatic tools and able to solve research problems in the field of general pathology.
COMMUNICATION: The student will be able to perform oral presentation of scientific data, with the aid of Power Point software. Notions acquired during the course will be evaluated during the exam.
LIFELONG LEARNING SKILLS: The notions, the tools and the notes available during the course will contribute in developing the competence for the autonomous study and continuous updating in the field of the Bioinformatics applied to the general pathology.

Acquisition of manual, methodological and organizational skills aimed at the elaboration of technical-scientific issues.