REPUBBLICA ITALIANA I.T.I. MINERARIO “G. ASPRONI” - IGLESIAS A.S. 2014-2015 Programmazione di CHIMICA ORGANICA E BIOCHIMICA Classe: 5^ A CHIMICI INSEGNANTE TEORICO Silvia Chinedda INSEGNANTE TECNICO-PRATICO Francesca Casula FINALITA’ GENERALI Il docente di “Chimica organica e biochimica” concorre a far conseguire allo studente, al termine del percorso quinquennale, i seguenti risultati di apprendimento relativi al profilo educativo, culturale e professionale: utilizzare modelli appropriati per investigare su fenomeni e interpretare dati sperimentali; utilizzare, in contesti di ricerca applicata, procedure e tecniche per trovare soluzioni innovative e migliorative, in relazione ai campi di propria competenza; orientarsi nelle dinamiche dello sviluppo scientifico e tecnologico, anche con l’utilizzo di appropriate tecniche di indagine; orientarsi nella normativa che disciplina i processi produttivi del settore di riferimento, con particolare attenzione sia alla sicurezza sui luoghi di vita e di lavoro sia alla tutela dell’ambiente e del territorio. OBIETTIVI GENERALI L’insegnamento della disciplina ”Chimica Organica e Biochimica” si prefigge i seguenti obiettivi generali: acquisire piena consapevolezza del ruolo della chimica organica nei processi biologici; assicurare la corretta comprensione dei fenomeni microbiologici e il corretto utilizzo delle conoscenze teorico-pratiche per effettuare analisi microbiologiche, interpretare i risultati e risolvere problemi. definire le principali caratteristiche funzionali dei microorganismi impiegati nei processi fermentativi industriali; preparare, nei casi di più generale applicazione, il terreno colturale adatto alla crescita di microorganismi; descrivere i processi di fermentazione evidenziando i passaggi cruciali e pianificando i controlli dei principali parametri; OBIETTIVI DI APPRENDIMENTO MINIMI Modulo 1 Saper classificare i lipidi in base alla loro complessità strutturale; conoscere la differenza tra acidi grassi saturi, monoinsaturi e polinsaturi; saper rappresentare la struttura chimica di acidi grassi saturi e insaturi; sapere che cosa è un trigliceride; saper spiegare la differenza tra un grasso e un olio; conoscere il processo di idrogenazione catalitica di un olio vegetale e saperne rappresentare la reazione chimica generale; conoscere il processo di produzione di un sapone; sapere che cosa sono e che funzione svolgono i fosfolipidi, le cere e i lipidi non saponificabili. Saper spiegare che cos’è un enzima e saperne descrivere il meccanismo di funzionamento nei sistemi biologici; conoscere il sistema di classificazione degli enzimi; essere in grado di spiegare che cosa sono i cofattori, i coenzimi e gli isoenzimi; saper definire l’efficienza catalitica di un enzima; conoscere i fattori che influenzano l’attività catalitica di un enzima; sapere come può essere regolata e modulata l’attività enzimatica. Modulo 2 Saper distinguere tra cellula eucariote e cellula procariote; conoscere nome, composizione, struttura e funzione dei principali componenti cellulari; conoscere la classificazione dei microrganismi secondo Whittaker; essere in grado di classificare i microrganismi in base al sistema di nutrizione, alla necessità o meno di ossigeno, alla temperatura e al pH di vitalità ottimale; conoscere la morfologia, la struttura, la modalità di riproduzione e di crescita batterica; saper classificare, comparare e analizzare la morfologia, la fisiologia, la modalità di riproduzione e le condizioni di crescita di miceti, muffe, lieviti e virus; saper descrivere il metabolismo cellulare dei microrganismi: respirazione, fermentazione e fotosintesi; conoscere i principi fondamentali della coltivazione microbica; saper realizzare piastre di colture con terreni agarizzati, tubi con brodi e conta MPN; saper eseguire vetrini a fresco e con colorazione semplice e di Gram; conoscere le tecniche appropriate per operare con microorganismi. saper spiegare la differenza tra disinfezione e sterilizzazione; conoscere i principali metodi di sterilizzazione. Modulo 3 Conoscere la composizione, la struttura e le funzioni degli acidi nucleici DNA e RNA; saper descrivere il meccanismo di replicazione del DNA; essere in grado di descrivere le fasi della biosintesi proteica; saper spiegare che cosa si intende per mutazione e come può presentarsi; conoscere i meccanismi della ricombinazione batterica; sapere in che cosa consiste la bioingegneria genetica e conoscere le principali tecniche di manipolazione genetica; Modulo 4 Conoscere i principali microrganismi di interesse industriale; essere in grado di descrivere alcune produzioni biotecnologiche su larga scala. CONTENUTI Modulo 1 - MACROMOLECOLE DI INTERESSE BIOLOGICO UD 2.1. I LIPIDI Classificazione dei lipidi. Acidi grassi saturi e insaturi. I grassi e gli oli. I gliceridi e i triesteri del glicerolo. L’idrogenazione degli oli vegetali. La saponificazione dei grassi e degli oli. I saponi. I fosfolipidi. Le cere. I lipidi non saponificabili: prostaglandine, terpeni e steroidi. UD 2.2. GLI ENZIMI Gli enzimi: i catalizzatori dei sistemi biologici. Classificazione degli enzimi e numero EC. Cofattori, e coenzimi. Alcuni enzimi esistono in forme molecolari diverse. L’efficienza catalitica di un enzima: il numero di turnover. L’attività enzimatica e i fattori che la influenzano. La regolazione dell’attività enzimatica: allosterismo, modificazioni covalenti e inibizione enzimatica. Modulo 2 – I MICRORGANISMI E IL LORO METABOLISMO LA CELLULA La cellula: definizione, dimensione, forma e composizione. La cellula eucariote. Composizione e struttura della membrana plasmatica: fosfolipidi, proteine di membrana (estrinseche, intrinseche e transmembrana). Il trasporto di membrana: diffusione semplice; diffusione facilitata mediata da proteine canale e da proteine carrier; trasporto attivo mediato dalle pompe. Il fenomeno dell'osmosi: soluzioni iso-, ipo- e iper-toniche. I meccanismi di: endocitosi (fagocitosi e pinocitosi) ed esocitosi. Struttura e funzione degli organuli cellulari. UD 2.3. UD 2.4. I Microrganismi: generalità I microrganismi: definizione, classificazione di Whittaker, classificazione in base al sistema di nutrizione, alla necessità di ossigeno, alle esigenze chimiche e fisiche (di temperatura, pH, concentrazione salina) e loro caratteristiche. UD 2.5. I Batteri La cellula batterica: dimensione, forma, composizione chimica e colorazione di Gram. L’architettura della cellula batterica: la parete cellulare (funzioni, composizione chimica e differenze tra batteri Gram-positivi e Gram-negativi), membrana plasmatica, citoplasma, cromosoma batterico, plasmidi ed episomi. Flagelli, fimbrie e pili. La riproduzione e la produzione di spore. Moltiplicazione, classificazione e crescita batterica. UD 2.6. Funghi o Miceti Classificazione dei miceti. Le muffe: moltiplicazione e riproduzione. I lieviti: moltiplicazione e riproduzione, morfologia, fattori necessari allo sviluppo. UD 2.7. I Virus Struttura e replicazione dei virus. I retrovirus. I fagi. Il virus HIV. UD 2.8. Metabolismo cellulare dei microrganismi Il metabolismo: fase catabolica e fase anabolica. Le molecole ad alta energia. La respirazione aerobica. Le fasi della glicolisi. La fermentazione (alcolica e lattica). La respirazione anaerobica (batteri denitrificanti, solfato-riduttori e metanogeni). La fotosintesi clorofilliana. L’acqua libera. Modulo 3 – IL DNA E LA BIOINGEGNERIA GENERICA UD 3.1. Nucleotidi e acidi nucleici La struttura generale degli acidi nucleici. I nucleosidi e i nucleotidi: composizione e struttura. Il DNA: struttura primaria, secondaria e terziaria. La replicazione del DNA. Gli acidi ribonucleici: mRNA, tRNA e rRNA. La biosintesi proteica: fase di trascrizione e fase di traduzione. UD 3.2. Genetica batterica Il codice genetico. Le mutazioni e la ricombinazione batterica: trasformazione, coniugazione e trasduzione. UD 3.3. Bioingegneria genetica Introduzione. Tecnica del DNA ricombinante: manipolazione dei geni, trasferimento del materiale genetico, clonazione del gene trasferito e selezione della cellula con il nuovo gene. Modulo 4 – LE FERMENTAZIONI INDUSTRIALI UD 4.1. Microrganismi di interesse industriale e alimentare Batteri Gram-positvi e Gram-negativi, Lieviti e muffe di interesse industriale. Procedimenti per prevenire gli inquinamenti microbici. Coltivazione dei microrganismi. UD 4.2. Fermentazioni e bioconversioni industriali Fermentatori o bioreattori. Prodotti ottenuti attraverso processi di fermentazione microbica: alimenti, bevande, acidi, alcoli ecc. Produzioni biotecnologiche su larga scala: microrganismi, materie prime e vie metaboliche. Gli antibiotici e la produzione della Penicillina. PROGETTO INTERDISCIPLINARE: Insegnamento secondo il metodo CLIL Sulla base di quanto stabilito dal C.d.C. in merito all’insegnamento di una disciplina di indirizzo (DNL) in lingua inglese, alcuni argomenti del programma di Chimica Organica e Biochimica verranno trattati anche in lingua Inglese, all’interno di un progetto interdisciplinare che si avvarrà delle stretta collaborazione tra il docente della DNL e il docente di inglese. Argomenti: “Energy, Enzymes and Metabolism”; “Microorganism and Biotechnology” “Ricombinant DNA and Biotechnology”. LABORATORIO Saggi di riconoscimento dei lipidi; produzione di un sapone; saggi di riconoscimento delle proteine; TLC degli amminoacidi: analisi qualitativa. norme di sicurezza in laboratorio di microbiologia, attrezzature ed avvertenze generali. caratteristiche generali e principi di funzionamento del microscopio ottico, profondità di campo e messa a fuoco; osservazione al microscopio del fenomeno osmotico nelle cellule vegetali; allestimento di un preparato microscopico a fresco e tecniche di colorazione: colorazione semplice e colorazione differenziale di Gram; coltivazione dei microrganismi: i fattori necessari alla crescita; terreni di coltura: classificazione e preparazione in laboratorio; tecniche di allestimento, di sterilizzazione e di semina; conta dei microrganismi: metodo MPN; metodo del conteggio su piastra e delle diluizioni successive; metodo M.F; controlli di sterilità: controllo della sterilità di un’acqua. controllo microbiologico dell’aria; analisi batteriologiche di alcuni prodotti alimentari e confronto dei risultati con le normative vigenti. fermentazioni di un carboidrato con lieviti naturali; fermentazione di un carboidrato con lieviti immobilizzati; biotecnologie: produzione del pane, del vino e della birra. TEMPI DI ESECUZIONE MODULO PERIODO 1 settembre-novembre 2 novembre-febbraio 3 marzo-aprile 4 aprile-giugno I tempi richiesti per lo svolgimento di ciascun modulo sono stati stabiliti sulla base del monte ore complessivo e perciò non tengono conto di eventuali vacanze, assemblee e quant’altro possa rallentare o modificare il normale percorso formativo. METODOLOGIA I contenuti della disciplina saranno affrontati sia attraverso lezioni frontali, che mediante lezioni di tipo partecipato o dialogato, supportate dall’ausilio di immagini, slides o video. Le lezioni teoriche saranno affiancate da una regolare attività di laboratorio, che sarà dunque parte integrante del percorso formativo in modo tale da avere una connessione circolare tra la teorica e la pratica. Tutte le esercitazioni saranno eseguite nel pieno rispetto delle norme di sicurezza e di tutela dell’ambiente. Sarà fondamentale motivare e potenziare le qualità operative degli allievi con esercitazioni individuali su scala ridotta o a gruppi di due o max. tre allievi, in cui gli studenti saranno guidati ad osservare e a confrontarsi per proporre soluzioni ed ipotesi interpretative. Procedure operative, elaborazione dei dati sperimentali e valutazione dei risultati dovranno essere documentati da ciascuno studente nel Quaderno di Laboratorio. Per mantenere vivo l’interesse per la disciplina e rafforzare negli studenti la consapevolezza dalla sua importanza ai fini professionalizzanti, saranno determinanti i riferimenti a situazioni, fenomeni e problematiche reali. La possibilità di utilizzare altre strategie didattiche verrà valutata opportunamente in itinere. STRUMENTI SPAZI libro di testo; fotocopie e prodotti multimediali forniti dai docenti; lavagna classica e LIM; software didattici specifici, presentazioni in PowerPoint ecc. attrezzature di laboratorio e apparecchi scientifici. aula; laboratorio; aula multimediale. VERIFICHE E CRITERI DI VALUTAZIONE I processi di apprendimento degli studenti saranno monitorati sistematicamente in itinere, attraverso verifiche formative, quali: domande dal posto, interrogazioni brevi e attraverso l’osservazione del modo di lavorare in laboratorio. Il raggiungimento degli obiettivi programmati, in termini di conoscenze e di abilità specifiche, sarà verificato per ciascuna unità di apprendimento attraverso interrogazioni lunghe e prove scritte di varia tipologia (strutturate, semi-strutturate e a risposta multipla). Il voto sarà assegnato in base ai criteri individuati nella griglia di valutazione allegata al POF. Nella valutazione delle verifiche orali e scritte si terrà conto anche delle capacità espositive, deduttive e di sintesi dimostrate dallo studente. Le conoscenze e le competenze pratiche saranno verificate attraverso la valutazione delle relazioni di laboratorio, dei rapporti di prova, del quaderno di laboratorio e attraverso l’esecuzione di prove pratiche. La valutazione finale di ciascuno studente, inoltre, dovrà tener conto del suo specifico percorso di apprendimento, della sua partecipazione al lavoro scolastico, del livello di attenzione, del grado di interesse e dell’impegno profuso durante l’anno. RECUPERO Per quanto concerne il recupero, le strategie didattiche da utilizzare e le ore da destinare allo scopo andranno valutate in funzione delle difficoltà riscontrate e del numero di studenti coinvolti. Come supporto o in alternativa al classico recupero svolto durante l’orario di lezione, l’insegnante potrà avvalersi delle attività di recupero eventualmente promosse dalla scuola al di fuori dell’orario curricolare. Monte orario settimanale: 3(3) Libro di testo: “Chimica delle Fermentazioni” di Giuseppe Sicheri – ed. Hoepli Iglesias, 15 novembre 2014 Le insegnanti Silvia Chinedda e Francesca Casula