Docente

prof.ssa Sabina Susmel (sabina.susmel@uniud.it)

Crediti

3 CFU

Obiettivi formativi specifici

Il modulo di Chimica fisica biologica intende fornire le basi generali della termodinamica fisica e chimico-fisica, insieme all’applicazione delle metodiche termodinamiche microcalorimetriche ai biopolimeri e loro complessi. Anche la cinetica di formazione di complessi verrà trattata esaminando gli aspetti energetici e la realizzazione di misure. Un secondo aspetto del modulo contemplerà l’interazione tra onde elettromagnetiche e materia per introdurre principi generali ed applicazioni spettrometriche biotecnologiche, quali le spettroscopie ottiche e la spettroscopia NMR in aggiunta alla spettrometria di massa.

Programma

Termodinamica

Sistemi e processi. Trasformazioni reversibili ed irreversibili. Passaggi di stato. Variabili di stato, equazione di stato. Stato di equilibrio. Stato stazionario. Gas ideali e reali. Teoria cinetica dei gas. Lavoro e calore. Capacità termica dei gas e dei solidi. Principio zero. Temperatura e scale termometriche. 1° principio. Energia interna. Lavoro e calore in processi reversibili ed irreversibili. Processi isocori ed isobarici. Entalpia, legge di Hess. Il potenziale termodinamico. L’entropia ed il 2° principio. Significato statistico dell’entropia. Trasformazioni ed energia libera di Gibbs e di Helmoltz. Potenziale chimico. Stati di riferimento. Criteri di spontaneità di un processo. L’equilibrio, la costante di equilibrio e G0. Cenni di elettrochimica. Transizioni di fase e capacità termica.

Fenomeni ondulatori

Onde elettromagnetiche. Polarizzazione. Richiami su spettro elettromagnetico, interazione radiazione materia e principali spettroscopie ottiche. Applicazioni a biopolimeri di dicroismo circolare, UV e fluorescenza.

Microcalorimetria

Diagramma di stato e transizioni di fase. DSC, ITC e applicazioni biotecnologiche. Entalpia, entropia ed energia libera di Gibbs e loro variazione con la temperatura. Entalpia calorimetrica e secondo van’t Hoff. Elaborazione di termogrammi. Microcalorimetria di proteine, acidi nucleici e biomolecole. Procedure ed apparati sperimentali. Applicazioni per studi biofisici. Studio di stabilità termica di proteine (unfolding e refolding). Studi di interazione biomolecole-ligandi. Competizione di legame tra stato nativo e denaturato. Effetti di pH e forza ionica. Interazioni con ioni

Termodinamica di biopolimeri

Misura della stabilità conformazionale di proteine. Selezione e criteri di scelta delle tecniche di misura. Generalità sull’applicazione di tecniche spettroscopiche e non. Denaturazione termica e con agenti chimici. Elaborazione dei dati sperimentali. Equilibrio e reversibilità. Procedure sperimentali per studi di denaturazione

Cinetica

Estensione di concetti termodinamici e teoria dello stato di transizione.Cinetica di reazione ed equazione empirica di Arrehnius. Energia di attivazione e velocità assoluta. Equazione di Eyring. Energia ed entalpia di attivazione e corrispondenti termodinamici. Cinetica di reazione e reazioni endotermiche

Spettrometria di massa

Richiami teorici di elettromagnetismo. Campi di applicazione della spettrometria di massa. Applicazioni di interesse biotecnologico. Massa molecolare, definizione ed accuratezza. Massa molecolare nominale, media e monoisotopica. Distribuzione isotopica naturale e utilizzazione in spettrometria di massa. Lo spettrometro di massa. Iniezione diretta, per via cromatografica e per via elettroforetica. Metodi di ionizzazione. Metodi di ionizzazione soft. Analizzatori a settore magnetico o quadrupolo, analizzatore TOF, analizzatore a risonanza ciclotronica. Strumenti a doppio o multiplo analizzatore e spettrometria di massa tandem o massa-massa. L’importanza delle metodiche di ionizzazione soft in analisi di biopolimeri. Ionizzazione elettrospray. Tecnica nanospray. Dettagli su ionizzazione

Lo spettrometro MALDI-TOF. Metodi di analisi massa-massa. Scansione di ioni prodotto o precursore. Scansione a perdita neutra costante. Sequenziamento

Proteomica. Risoluzione in spettrometria

Applicazioni a biopolimeri per determinazioni strutturali e funzionali della spettrometria di massa

Spettrometria di massa in proteomica e metabonomica. Analisi di mappe 2D e proteomica quantitativa. Metodi alternativi. ICAT e MCAT. Prefrazionamento elettroforetico o cromatografico. Protein Chip. Determinazione di modificazioni posttraduzionali mediante spettrometria di massa. Applicazioni analitiche

Spettroscopia NMR

Generalità sul magnetismo. Correnti in spire e momento di dipolo magnetico. Interazione momento-campo magnetico. Forza di Lorentz. Nuclei e momento magnetico di spin nucleare. Descrizione classica. Precessione ed equazione di Larmor. Rapporto giromagnetico. Descrizione quantomeccanica. Quantizzazione del momento angolare di spin nucleare e del momento di dipolo magnetico nucleare. Transizioni e regole di selezione. Magnetizzazione macroscopica longitudinale e trasversale. Eccitazione NMR e impulsi di radiofrequenza. Sistema di riferimento rotante e di laboratorio. Coerenza di fase e segnale NMR. Campionamento di segnale e trasformata di Fourier. Equazioni di Bloch e costanti di rilassamento T1 e T2. FID. Intensità del segnale NMR. Chemical shift e natura chimica. Chemical shift di biopolimeri. Chemical shift limite e contributi di struttura secondaria e terziaria. Chemical Shift Index. Accoppiamento scalare. Molteplicità ed accoppiamento scalare. Accoppiamento scalare forte. Accoppiamento dipolare. Chemical shift isotropo e MAS. Scambio chimico. Regimi di scambio ed effetti su chemical shift e costanti di accoppiamento scalare. Rilassamento longitudinale e trasversale. Misura di T1 e T2. Mobilità molecolare e rilassamento. Funzione di autocorrelazione e densità spettrale. Effetto Overhauser nucleare (NOE) e sua misura. NOE, mobilità molecolare e struttura spaziale. NOE eteronucleare

Applicazioni a biopolimeri per determinazioni strutturali e funzionali della spettroscopia NMR

Spettroscopia NMR multidimesionale. Campionamento discreto e frequenza di campionamento. Acquisizione discreta indiretta nella seconda dimensione. Trasformata in due dimensioni. Spettri 2D omonucleari ed eteronucleari. Concetto di correlazione o connettività. Correlazioni scalari e dipolari. Spettri di tipo COSY. Pattern COSY di amminoacidi e nucleotidi ed identificazione dei sistemi di spin. COSY con filtri quantici multipli. TOCSY. Struttura fine di cross-peak . Correlazioni dipolari e spettri NOESY. Assegnazione sequenziale. Correlazioni dipolari e struttura molecolare. Riconoscimento di struttura secondaria di proteine. Struttura secondaria ed assegnazione sequenziale.

Scambio isotopico

Applicazioni classiche dello scambio isotopico a proteine. Meccanismi di scambio isotopico per polipeptidi. Catalisi acida e basica. La costante di scambio complessiva, kex. Valori tipici di kex. Dipendenza dalla temperatura. Dipendenza dal pH. Effetti della sequenza sulle velocità di scambio. Contributo di struttura secondaria e terzaria. Fattore di protezione. Scambio in polipeptidi destrutturati. Scambio in polipeptidi strutturati. Meccanismo dell’apertura locale. Regimi limite di scambio EX1 e EX2. Processi di scambio correlate e non. Costanti fenomenologiche di scambio e stabilità termodinamica locale. Misure di scambio isotopico. Incorporazione di 3H. Metodo IR. Massa ridotta e frequenze di assorbimento IR. La banda ammide II. Metodi di spettrometria di massa. Scambio isotopico e frammentazione proteolitica. Tarature e retroscambio. Distribuzione di pattern isotopici. Condizioni di misura e distribuzioni bimodali. Misure di scambio isotopico mediante NMR. Applicazioni

Propedeucità consigliate

Formazione di base in Fisica Generale, Chimica Generale (inorganica ed organica), Analisi Matematica.

Bibliografia

CHIMICA FISICA BIOLOGICA
Testo consigliato: P.W. ATKINS, J. DE PAULA - ELEMENTI DI CHIMICA FISICA - Terza edizione italiana - ISBN 978-8808-1-9285-1
Materiale didattico on-line

Modalità d'esame

Compito scritto con problemi e domande a scelta multipla