ITALIANO

Processi fondamentali riguardanti la fisica della materia vivente: reazioni di ossido-riduzione e cinetica enzimatica; legami chimici e interazioni tra proteine; livelli elettronici e spettroscopia ottica; diffrazione dei raggi X e risonanza magnetica.

A) J.P. Allen, Biophysical Chemistry, Wiley-Blackwell
B) K. Sneppen & G.Zocchi, Physics in Molecular Biology, Cambridge
C) V. Taglietti & C.Taglietti Principi di fisiologia e biofisica della cellula Voll. 1 e 2 La Goliardica Pavese

Il corso intende fornire le competenza di base per la comprensione di alcuni processi fondamentali riguardanti la fisica della materia vivente: reazioni di ossido-riduzione e cinetica enzimatica; legami chimici e interazioni tra proteine; livelli elettronici e spettroscopia ottica; diffrazione dei raggi X e risonanza magnetica.
Risultati apprendimento attesi
CONOSCENZA E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE (knowledge and understanding)
Acquisizione di conoscenze sulle tematiche fondamentali della biofisica, con particolare riferimento ai moderni metodi di studio, grazie alla frequenza di lezioni ed esercitazioni.

CAPACITÀ DI APPLICARE CONOSCENZA E COMPRENSIONE (applying knowledge and understanding)
Lo studente dovrà avere acquisito conoscenze tali da permettergli di descrivere i meccanismi alla base dei processi biofisici trattati e saper valutare in modo autonomo e motivato eventuali opinioni diverse su determinati aspetti della biofisica.

AUTONOMIA DI GIUDIZIO (making judgements)
Acquisizione di autonomia in ambiti relativi alla valutazione e interpretazione di tematiche inerenti la biofisica e all’ applicazione delle tecniche per lo studio della biofisica.

ABILITA’ COMUNICATIVE (communication skills)
Acquisizione del lessico e della terminologia della Biofisica per poter comprendere e comunicare con chiarezza i contenuti della disciplina
CAPACITÀ DI APPRENDIMENTO (learning skills)
Acquisizione delle capacità che favoriscano lo sviluppo, l'approfondimento e il costante aggiornamento delle conoscenze di biofisica, con particolare riferimento alla consultazione di materiale bibliografico, di banche dati e altre informazioni in rete.

Conoscenze relative ai corsi di fisica generale, matematica e chimica del primo e secondo anno della laurea triennale in Fisica

Lezioni, esercitazioni numeriche in aula

La verifica del livello di apprendimento consisterà in una prova scritta (articolata in domande riguardanti gli argomenti trattati, esercizi numerici e problemi), da effettuarsi alla fine del corso e in un colloquio orale.

Programma:
1. TERMODINAMICA E CINETICA
Le energie di Gibbs e di Helmholtz. Le energie di Gibbs e di Helmholtz ed il loro significato. La dipendenza dell’energia di Gibbs dalla temperatura e dalla pressione. L’energia di Gibbs ed equilibri di fase.
L’equilibrio chimico. L’equilibrio chimico nei sistemi gassosi. Le reazioni in soluzione. Gli equilibri eterogenei. L’influenza della temperatura, della pressione e dei catalizzatori sulla costante di equilibrio. La bioenergetica.
La cinetica chimica. La velocità di reazione. L’ordine di reazione. L’effetto della temperatura sulla velocità di reazione. Le teorie di velocità di reazione.
Reazioni di ossido-riduzione. Celle elettrochimiche. Equazione di Nernst. Potenziali di equilibrio. Energia di Gibbs di formazione ed attività.
La cinetica enzimatica. I principi generali della catalisi. Le equazioni della cinetica enzimatica. Legge di Michaelis-Menten. Equazione di Lineweaver-Burk. Attività dell’enzima. Gli effetti del pH sulla cinematica enzimatica.
2. MECCANICA QUANTISTICA E SPETTROSCOPIA
Legami chimici e interazione tra proteine. Legame peptidico. Effetti sterici. Legame idrogeno. Interazioni elettrostatica. Effetti idrofobici. Struttura secondaria Struttura del DNA. Struttura della proteine. Sequenza di aminoacidi.
Livelli elettronici e spettroscopia ottica. La legge di Beer-Lambert. Coefficiente di assorbimento. Transizioni. Regole di selezione. Il principio di Franck-Condon . Fluorescenza e fosforescenza. Diagramma di Jablonskii. Principi di funzionamento di uno spettrofotometro e spettrofluorimetro.
Diffrazione dei raggi X. Legge di Bragg. Reticolo di Bravais. Cristalli di proteine. Diffrazione da cristalli.Determinazione di fase: sostituzione molecolare, sostituzione isomorfa, dispersione anomala. Elaborazione di un modello. Misure sperimentali di diffrazione a raggi X. EXAFS
Risonanza magnetica. Shift chimico. Interazione spin-spin. Tecnica impulsata. NMR bidimensionale. Spettro NMR di amino acidi. Struttura iperfine
3. ASPETTI APPLICATIVI
Potenziali di membrana, trasporto e canali ionici. Struttura e funzioni della cellula. Potenziali di membrana.
Diffusione e trasporto attraverso le membrane. Canali ionici.
Imaging molecolare Imaging di cellule e tessuti Green Fluorescent Protein (GFP). Meccanismi di formazione dei cromofori. Fluorescent resonance energy transfer (FRET). Imaging di GFP nelle cellule. Decadimenti radioattivi. PET.

Italian

Basic processes concerning the physics of living matter: oxidation-reduction reactions and enzymatic kinetics; chemical bonds and protein interactions; electronic levels and optical spectroscopy; X-ray diffraction and magnetic resonance.

A) J.P. Allen, Biophysical Chemistry, Wiley-Blackwell
B) K. Sneppen & G.Zocchi, Physics in Molecular Biology, Cambridge
C) V. Taglietti & C.Taglietti Principi di fisiologia e biofisica della cellula Voll. 1 e 2 La Goliardica Pavese

The course aims to provide the basic skills for understanding some fundamental processes concerning the physics of living matter: oxidation-reduction reactions and enzymatic kinetics; chemical bonds and protein interactions; electronic levels and optical spectroscopy; X-ray diffraction and magnetic resonance
KNOWLEDGE AND UNDERSTANDING
The student will acquire the knowledge on the fundamental themes of biophysics, with particular reference to modern methods of study, thanks to the didactical activities (lessons and tutorials).

APPLYING KNOWLEDGE AND UNDERSTANDING
The student will have acquired knowledge that will allow him to describe the mechanisms underlying the biophysical processes treated and be able to evaluate in an independent and motivated way different opinions on certain aspects of biophysics.

MAKING JUDGEMENTS
The student will be autonomous in areas related to the evaluation and interpretation of issues related to biophysics and the application of techniques for the study of biophysics

COMMUNICATION SKILLS
The student will have acquired an appropriate technical language in order to understand and clearly communicate the contents of the discipline

LEARNING SKILLS
The student will be able to develop and constantly update the knowledge of biophysics, with particular reference to the consultation of bibliographic material, databases and other information on the web

General physics, mathematics and chemistry of the first and second year of the three-year degree in Physics

Lectures, numerical exercises in the classroom

The final test consists in a written (open questions and numerical exercises) and an oral part

Program:
1. THERMODYNAMICS AND KINETICS
The energies of Gibbs and Helmholtz. The energies of Gibbs and Helmholtz and their meaning. The dependence of Gibbs energy on temperature and pressure. Gibbs energy and phase equilibria.
The chemical balance. Chemical equilibrium in gaseous systems. Reactions in solution. The heterogeneous equilibria. The influence of temperature, pressure and catalysts on the equilibrium constant. Bioenergetics.
Chemical kinetics. The reaction speed. The order of reaction. The effect of temperature on the reaction speed. The reaction speed theories.
Oxidation-reduction reactions. Electrochemical cells. Nernst's equation. Balance potentials. Gibbs energy of education and activity.
Enzymatic kinetics. The general principles of catalysis. The equations of enzymatic kinetics. Michaelis-Menten's law. Lineweaver-Burk equation. Activity of the enzyme. The effects of pH on enzymatic kinematics.
2. QUANTUM MECHANICS AND SPECTROSCOPY
Chemical bonds and interaction between proteins. Peptide bond. Steric effects. Hydrogen bond. Electrostatic interactions. Hydrophobic effects. Secondary structure DNA structure. Protein structure. Sequence of amino acids.
Electronic levels and optical spectroscopy. The Beer-Lambert law. Absorption coefficient. Transitions. Selection rules. The principle of Franck-Condon. Fluorescence and phosphorescence. Diagram of Jablonskii. Operating principles of a spectrophotometer and spectrofluorometer.
X-ray diffraction. Bragg's law. Bravais pattern. Protein crystals. Crystals Diffraction. Phase determination: molecular substitution, isomorphic substitution, anomalous dispersion. Elaboration of a model. Experimental measurements of X-ray diffraction. EXAFS
Magnetic resonance. Chemical shift. Spin-spin interaction. Impulsed technique. Two-dimensional NMR. NMR spectrum of amino acids. Hyperfine structure
3. APPLICATION ASPECTS
Membrane potentials, transport and ion channels. Structure and functions of the cell. Membrane potentials.
Diffusion and transport through the membranes. Ionic channels.
Molecular Imaging of Green Fluorescent Protein (GFP) cells and tissues. Mechanisms of formation of the chromophores. Fluorescent resonance energy transfer (FRET). Imaging of GFP in cells. Radioactive decays. PET.