(11 CFU – 115,5 ore)

Coordinatore: prof. Federico Fogolari

Obiettivi formativi

Compito del corso di Scienze di Base è quello di fornire allo studente alcuni elementi delle scienze esatte (Fisica, Chimica, Propedeutica Biochimica) che sono alla base del nostro sapere. Tali conoscenze sono propedeutiche alle materie che verranno affrontate successivamente nel corso di laurea e devono fornire i mezzi per potere comprendere i concetti tecnicamente più evoluti della medicina moderna. Per la parte di Fisica lo studente dovrà conoscere e saper utilizzare i concetti e le leggi fondamentali della Fisica (meccanica applicata ai corpi estesi, stato solido, termodinamica, fenomeni elettrici elementari e fenomeni ondulatori). Per la parte di Chimica e Propedeutica Biochimica lo studente dovrà conoscere le proprietà strutturali fisiche e chimiche dei principali elementi e composti inorganici, nonché le loro proprietà biologiche e la loro rilevanza biomedica, insieme con gli elementi basilari della elettrochimica, cinetica e termodinamica dei processi chimici. 

Modulo: FISICA

SSD: FIS/07

(3 CFU, 31,5 ore)

Docente: prof. Federico Fogolari

Programma

Parte introduttiva.

In questa parte del corso lo studente viene messo al corrente delle basi fisico matematiche che vengono considerate acquisite e che risultano necessarie per lo sviluppo successivo; in particolare lo studente deve conoscere e sapere utilizzare per semplici calcoli le equazioni matematiche di I e II grado, i logaritmi , le funzioni trigonometriche; lo studente deve conoscere lo spazio cartesiano a due e tre dimensioni e deve avere il concetto di funzione cartesiana e conoscere alcune delle funzioni elementari dello spazio a due dimensioni (retta, parabola, iperbole, circonferenza, ellisse, esponenziale, logaritmica). Vengono introdotti quindi alcuni elementi base di calcolo differenziale; lo studente deve conoscere il significato di infinitesimo, serie, limite, derivata, integrale. Successivamente vengono introdotti alcuni concetti di base, in particolare lo studente deve conoscere e sapere utilizzare i concetti di grandezza fisica e sue dimensioni, sistema di unità di misura, costante fondamentale, grandezza scalare, grandezza vettoriale. Lo studente deve apprendere e sapere utilizzare gli elementi fondamentali del calcolo vettoriale: somma e differenza di vettori, prodotto scalare e prodotto vettoriale, vettore gradiente, flusso di un vettore attraverso una superficie.

MECCANICA

Cinematica

Lo studente deve apprendere e sapere utilizzare i concetti di spazio, tempo, velocità istantanea e velocità media, accelerazione istantanea e accelerazione media Lo studente deve conoscere e sapere fare semplici applicazioni sulla legge oraria di alcuni moti semplici quali: moto rettilineo uniforme, moto rettilineo uniformemente accelerato, moto circolare uniforme, moto armonico.

Dinamica

Lo studente deve apprendere e sapere utilizzare i concetti di: massa, forza, forza peso

Lo studente deve conoscere e sapere fare semplici applicazioni su: i tre principi della dinamica, quantità di moto, concetto di campo di forza (campo gravitazionale), concetto di pseudoforza o forza apparente, moto in campo di forze elastiche.

Energia

Lo studente deve apprendere e sapere utilizzare i concetti di: lavoro, energia e sue unità di misura, principio di conservazione dell'energia, energia cinetica, energia potenziale, sistemi conservativi, urto elastico ed anelastico, impulso, potenza, rendimento, equilibrio stabile ed instabile.

Statica

Lo studente deve apprendere e sapere utilizzare i concetti di: corpo esteso, momento di una forza, equilibrio traslazionale, equilibrio rotazionale, vincolo, esempi di leve nel corpo umano, baricentro, momento angolare, velocità ed accelerazione angolare, momento di inerzia, energia cinetica rotazionale, principio di conservazione del momento angolare.

Biomeccanica

Lo studente deve conoscere: legge di Hooke, modulo di Young, modulo di compressione, frattura per flessione.

FENOMENI ELETTRICI

Elettrostatica

Lo studente deve apprendere e sapere utilizzare i concetti di elettrostatica: carica elettrica, forza di Coulomb, costante dielettrica, campo elettrico (elettrostatico), linea di forza del campo elettrico, energia potenziale elettrica, differenza di potenziale elettrico, teorema di Gauss, dipolo elettrico, strato dipolare, conduttore, isolante e semiconduttore, capacità elettrica, condensatore, condensatori in serie ed in parallelo, energia del condensatore.

Elettrodinamica

Lo studente deve apprendere e sapere utilizzare i concetti di: corrente elettrica, intensità di corrente elettrica, densità di corrente, conducibilità elettrica, resistenza elettrica, legge di Ohm, mobilità ionica, forza elettromotrice, generatore di forza elettromotrice, resistenza interna, circuito elettrico, resistenze in serie ed in parallelo, principi di Kirkhoff, effetto Joule, carica e scarica del condensatore.

Elettromagnetismo

Lo studente deve apprendere alcune nozioni essenziali sul magnetismo in particolare deve conoscere: concetto di permeabilità magnetica, forza di Lorentz (moto di una particella carica in un campo magnetico), momento magnetico, concetto di solenoide, proprietà magnetiche della materia (diamagnetismo, paramagnetismo, ferromagnetismo). Differenza fra campo elettrico e campo magnetico. Leggi di Maxwell. Onde elettromagnetiche.

Testi consigliati

F. Borsa, D. Scannicchio, Fisica con applicazioni in Biologia e Medicina, Edizioni Unicopli (1992). J. S. WALZER, Fondamenti di Fisica (Volume 1), Zanichelli (2005)

D. Scannicchio, Esercizi e problemi di Fisica con indirizzo medico-biologico, Edizioni Unicopli. 

Modulo: CHIMICA

SSD: BIO/10

(4 CFU, 42 ore)

Docente: prof. Gennaro Esposito

Conoscenze preliminari

Nomenclatura ed aspetti quantitativi delle reazioni chimiche: Simboli chimici degli elementi. Formule brute e formule di struttura. Ioni e molecole semplici di metalli e non-metalli. Leggi della combinazione chimica. Peso atomico, peso formula e peso molecolare. Definizione di mole e di grammoequivalente. Reazioni ed equazioni chimiche bilanciate.

Programma

Atomi, legami chimici e molecole.

I fondamenti della struttura dell'atomo. Le particelle subatomiche. Numero atomico e numero di massa. Isotopi stabili e radioattivi. Cenni sui modelli atomici, dalla meccanica classica alla meccanica quantistica: l’atomo secondo la meccanica classica, principi generali della teoria della quantizzazione dell’energia, i due modelli quantistici di atomo. L'Atomo di Bohr e lo spettro atomico. Gli elettroni e il principio di indeterminazione di Heisenberg. Onde associate agli elettroni negli atomi. Numeri quantici e livelli energetici. Energia e probabilità di distribuzione degli elettroni. Orbitali atomici (OA). Spin dell'elettrone. Configurazione elettronica: principio di esclusione di Pauli, regola della massima molteplicità di Hund. Elettroni di valenza. Costruzione della struttura elettronica di un atomo.

Il sistema periodico degli elementi.

Proprietà periodiche degli elementi. Caratteristiche generali di metalli e di non metalli. Volume e raggio atomico. Potenziale di ionizzazione. Affinità elettronica. Elettronegatività. Formazione di ioni: anioni e cationi. I gas nobili. Gli elementi di transizione. Interpretazione del sistema periodico sulla base della configurazione elettronica degli elementi. Gli elementi della materia vivente e cenni sulle loro funzioni biologiche.

I legami chimici e le interazioni tra molecole.

Generalità. Legami elettrostatici: legame ionico, ione-dipolo, dipolo-dipolo, legami di Van der Waals, legame a idrogeno e sua importanza biologica. Legami idrofobici. Legame metallico. Legami atomici: legame covalente omopolare, legame covalente polare, legame dativo.

Stabilità delle molecole.

Modelli di Lewis. Energie e lunghezze di legame. Forza del legame. Angoli di legame, geometria degli orbitali e forma delle molecole: teoria VSEPR e teoria del Legame di Valenza. Cenni sulla teoria degli Orbitali Molecolari (OM). Ibridazione degli orbitali: gli Orbitali Atomici ibridi. Polarità delle molecole. Delocalizzazione degli elettroni e risonanza: extrastabilità delle molecole, importanza degli elettroni delocalizzati per le proprietà funzionali di biomolecole. Descrizione e proprietà dei principali composti inorganici di interesse biomedico. Le proprietà strutturali dell'acqua come fondamenti delle sue proprietà biologiche. I legami elettrostatici e i legami idrofobici come interazioni intermolecolari e come interazioni alla base della struttura e della funzione delle macromolecole biologiche.

LA COMPOSIZIONE CHIMICA DELLA MATERIA VIVENTE: L’ACQUA.

L’acqua e le soluzioni.

Le proprietà fisiche dell'acqua e la loro rilevanza biologica. L'acqua come solvente. Concentrazione di una soluzione e sue modalità di definizione: concentrazione percentuale, molarità, molalità, normalità. Soluzioni acquose di gas. Elementi e composti inorganici allo stato gassoso di rilevanza biologica. Le pressioni parziali dei gas in miscele. Solubilità dei gas in acqua. Legge di Henry. Effetto della pressione sulla solubilità dei gas: l’embolia gassosa, la camera iperbarica. Soluzioni acquose di gas che reagiscono con l'acqua. Trasporto dei gas nel sangue.

Soluzioni acquose di solidi.

Soluzioni acquose di elettroliti forti e deboli e di non elettroliti, grado di dissociazione, forza ionica. Misura della conducibilità delle soluzioni. Soluzioni di solidi molecolari. Fattori che influenzano la velocità del processo di dissoluzione. Soluzioni acquose di liquidi: liquidi miscibili, parzialmente miscibili e immiscibili. Legge di Raoult.

Proprietà colligative delle soluzioni. Abbassamento della tensione di vapore, innalzamento della temperatura di ebollizione, abbassamento del punto di gelo, pressione osmotica. Definizione di Osmole e di Osmolarità. Soluzioni isotoniche, ipertoniche e ipotoniche. Soluzioni fisiologiche.

Le reazioni chimiche.

Potenziale chimico ed Energia Libera per mole. Energia di Legame ed energia di reazione.

Elementi di cinetica delle reazioni chimiche.

La velocità di reazione. Equazioni di velocità. Velocità di reazione (v) e costanti cinetiche (k). Fattori che influenzano la velocità di reazione. Ordine di reazione. Teorie delle collisioni e dello stato di transizione: energia di attivazione. Misura dell'energia di attivazione: equazione di Arrhenius. Catalizzatori: importanza biologica. I diversi tipi di meccanismi di reazione. Reazioni di dissociazione molecolare, reazioni di collisione, reazioni monomolecolari e bimolecolari. L’equilibrio chimico e le sue leggi. Legge dell'azione di massa e costante di equilibrio (K). Relazione tra energia libera di Gibbs e costante di equilibrio. Il principio di Le Chatelier. Spostamento della posizione di equilibrio di un sistema: effetti dovuti a variazioni di volume, pressione, concentrazione dei reagenti. L'effetto della temperatura sulla costante di equilibrio.

La composizione chimica della materia vivente: acidi, basi e sali.

Definizione di acidità e basicità. Teorie di Arrhenius e di Bronsted. Elettroliti anfoteri. Costante di dissociazione. Forza degli acidi e delle basi. Coppie acido-base coniugate. Idracidi e ossiacidi. Acidi poliprotici. Dissociazione dell’acqua e prodotto ionico dell'acqua. pH e pK. Determinazione dell'acidità attuale di una soluzione. Indicatori colorimetrici del pH. Determinazione dell'acidità totale di una soluzione: titolazioni acido-base, punto di equivalenza. Nomenclatura dei sali. Idrolisi salina. Sistemi tampone. Equazione di Henderson-Hasselbach. Calcolo del pH di un sistema tampone. Capacità tamponante. I sistemi tampone fisiologici. I tamponi del sangue.

Equilibri eterogenei.

Soluzioni sature di composti poco solubili. Prodotto di solubilità.

Elementi di elettrochimica propedeutici allo studio della bioenergetica

Stato di ossidazione. Reazioni di ossidoriduzione e loro bilanciamento. Conduttori di prima e di seconda specie. Conducibilità delle soluzioni. Potenziale di riduzione di una coppia redox. Scala dei potenziali di riduzione standard. Definizione di ossidanti e di riducenti. Relazione tra potenziale di riduzione, costante di equilibrio ed energia libera di un sistema. Importanza biologica del potenziale di riduzione: le catene respiratorie. Celle elettrochimiche: pila Daniell e pile a concentrazione. Misura potenziometrica del pH.

La composizione chimica della materia vivente: gli elementi di transizione ed i composti di coordinazione.

Acidi e basi di Lewis. Caratteristiche dei legami di coordinazione. I composti di coordinazione nelle biomolecole.

Testi consigliati

J.E. Brady, J.R. Holum, Fondamenti di Chimica, Zanichelli (1985).

A. Albertini, M. Avitabile, U. Benatti, V. Boido, F. Guerrieri, G. Liut, L. Masotti, A. Spisni, Chimica Generale, Monduzzi (1993).

J.R. Amend, B.P. Mundy, M.T. Armold, Chimica Generale, Organica e Biologica, Piccin Nuova Libraria, Padova.

Modulo: PROPEDEUTICA BIOCHIMICA

SSD: BIO/10

(4 CFU, 42 ore)

Docente: prof.ssa aggr. Valentina Rapozzi 

Programma

L’acqua; ambiente della vita.

Proprietà dell’acqua. Dissociazione di elettroliti deboli. Curve di titolazione di acidi poliprotici. Tamponi di importanza fisiologica e loro meccanismo di azione: il tampone fosfato e il tampone del bicarbonato.

Proprietà fisiche, chimiche e biologiche dei composti organici.

Proprietà del carbonio. Gruppi funzionali e loro proprietà. Numero di ossidazione del carbonio nei diversi gruppi. Reattivi elettrofili e nucleofili. Il concetto di isomeria e l’importanza biomedica di questa per il riconoscimento specifico tra biomolecole. Isomeria di conformazione. Stereoisomeria. L'atomo di carbonio asimmetrico e concetto di chiralità. I centri chirali nelle biomolecole. Enantiomeri, diasteroisomeri, forme meso. Attività ottica. Configurazioni D-L, R-S.

Proprietà Strutturali e Chimiche delle principali classi di composti organici.

Idrocarburi alifatici e aromatici.

Alcani e cicloalcani Il doppio legame. Doppi legami isolati e coniugati. Dieni. Polieni. Catene polieniche isoprenoidi in Pigmenti e in Vitamine. Alchini: il triplo legame. Struttura del benzene e sua energia di risonanza. Reazioni di sostituzione elettrofila. Composti aromatici di importanza biologica contenenti anelli eterociclici ad azoto: pirrolo, indolo, imidazolo, porfirina, piridina, pirimidina, purina. Composti aromatici di importanza biologica contenenti anelli eterociclici ad ossigeno (pirano) ed a zolfo (tiazolo). Biomolecole che contengono strutture eterocicliche (aminoacidi, nucleotidi, monosaccaridi, vitamine). Composti aromatici policiclici di importanza biologica e strutture policicliche aromatiche in vitamine ed ormoni. Delocalizzazione e colore. Composti cancerogeni.

Alcoli, fenoli, tioli, eteri e tioeteri.

Alcoli e fenoli. Il gruppo funzionale ossidrilico. Alcoli poliossidrilici. Alcoli di importanza biologica. Acidità degli alcoli e dei fenoli: strutture di risonanza dello ione fenato. Reazioni degli alcoli: disidratazione, formazione di esteri, ossidazione. Reazione dei fenoli: sostituzione elettrofila, ossidazione. Tioli e disolfuri, eteri, tioeteri o solfuri. Importanza biologica di tioli e disolfuri: la determinazione dello stato redox della cellula. Eteri alchilici, arilici e alchilarilici. Epossidi. Eteri ciclici con anelli a cinque e sei termini. Tioeteri.

Aldeidi e chetoni.

Struttura e proprietà del gruppo carbonilico. Reazioni di addizione nucleofila: addizione di alcoli e formazione di emiacetali e di acetali, addizione di acqua, amine, idrogeno. Alcune reazioni di addizione nucleofila di importanza biologica: la formazione degli aminoacidi, la chimica dei carboidrati. Reazioni di ossidazione delle aldeidi e loro importanza analitica e biochimica. Chinoni: proprietà ossidoriduttive in relazione al loro ruolo biochimico e alla loro importanza biologica. Condensazione carbonilica. Tautomeria cheto-enolica. L’acidità dell’idrogeno in alfa e le proprietà degli anioni enolato. Condensazione aldolica.

Acidi carbossilici.

Il gruppo funzionale carbossilico. Acidità degli acidi carbossilici. Le reazioni degli acidi carbossilici: riduzione, formazione dei derivati. Derivati degli acidi carbossilici e loro importanza biologica: anidridi, esteri, tioesteriì e ammidi. Reazioni di sostituzione nucleofila acilica di acidi carbossilici e dei derivati; importanza biologica: l’acetil coenzima A. Acidi grassi ed esteri del glicerolo; i principali acidi grassi di interesse biologico; gli acidi grassi poliinsaturi. Saponificazione. Saponi e micelle, detergenti sintetici. Acidi difunzionali e loro importanza biologica: acidi dicarbossilici, idrossiacidi, lattoni, chetoacidi.

Ammine e composti azotati.

Struttura e proprietà delle ammine. Il gruppo funzionale amminico. Basicità delle ammine alifatiche ed aromatiche. Poliammine. Reazione delle ammine: acilazione, formazione di ammidi, addizione nucleofila a carbonili e formazione di immine o derivati imminici. Ammidi: proprietà fisiche e chimiche. Urea. Ammine eterocicliche pentatomiche, esatomiche e ad anelli condensati. Le proprietà delle basi azotate puriniche e pirimidiniche.

Carboidrati.

Funzioni biologiche. Classificazione Nomenclatura e stereoisomeria dei monosaccaridi. Strutture cicliche emiacetaliche. Anomeri e mutarotazione. Potere riducente. Reazioni caratteristiche: riduzione, ossidazione, formazione di eteri, esteri e glicosidi, importanza biomedica. Derivati dei monosaccaridi. Legame O-glicosidico. Disaccaridi e polisaccaridi. I principali mono, di e polisaccaridi di interesse biologico. Polisaccaridi: amido, glicogeno e cellulose.

Amminoacidi.

Struttura e proprietà degli alfa-aminoacidi proteici. Proprietà delle catene laterali degli alfa-aminoacidi. Aminoacidi non proteici. Proprietà acido-base degli aminoacidi. Determinazione del punto isoelettrico di un aminoacido. Analisi cromatografica degli aminoacidi. Il legame peptidico e la sua struttura. Descrizione di peptidi biologicamente attivi.

Strutture delle proteine.

Livelli strutturali: primario, secondario, terziario e quaternario. Struttura secondaria in α-elica. Struttura secondaria a foglietto β. Ripiegamenti della catena polipeptidica. Struttura terziaria e forze che la stabilizzano. Proteine globulari. Varietà di strutture nelle proteine. Strutture supersecondarie e domini. Processo si strutturazione proteica. Esperimento di Anfinsen. Chaperoni. Strutture quaternarie. Proteine fibrose costituenti strutturali di cellule e tessuti. Determinazione della struttura primaria di una proteine: degradazione di Edman. Relazione fra struttura e funzione.

Nucleotidi.

Basi puriniche e pirimidiniche. Legame N-glicosidico e Nucleosidi. Proprietà dei nucleotidi. Polinucleotidi, strutture secondarie e terziarie.

Vitamine.

Aspetti generali, vitamine idrosolubili: vitamina C, vitamina B1, vitamina B2, vitamina B3, Biotina, acido pantotenico, acido folico, vitamina B12, vitamina B6, vitamine liposolubili: vitamina A, vitamina D, vitamina K, vitamina E.

Testi consigliati

W. Brown, Chimica Organica, (2004, II edizione) - EdiSES.

 J. Mc Murry, Fondamenti di Chimica Organica, (1999, II edizione) - Zanichelli, Bologna.