PREREQUISITI E PROPEDEUTICITÀ

 Chimica e Fisica Generali; Chimica Organica; Analisi Matematica

CONOSCENZE E ABILITÀ DA ACQUISIRE

Lo/la studente/essa dovrà:

conoscere

a)    le basi generali della termodinamica chimica, insieme all’applicazione delle metodiche termodinamiche microcalorimetriche a biopolimeri e loro complessi;

b)    le basi dell’interazione tra onde elettromagnetiche e materia per introdurre principi generali ed applicazioni spettrometriche biotecnologiche delle spettroscopie ottiche;

c)     le basi e le applicazioni ai biopolimeri della spettroscopia NMR;

d)    le basi della spettrometria di massa applicata applicata ai biopolimeri;

e)    i richiami alla teoria e ai metodi classici (equilibri in soluzione e titolazioni);

f)     le tecniche strumentali tradizionali, in particolare le tecniche ottiche (spettrofotometria molecolare di assorbimento e tecniche di emissione) nel dettaglio degli aspetti tecnico-applicativi;

g)    le tecniche strumentali più moderne per applicazioni biotecnologiche, cioè la sensoristica, con relativi aspetti tecnici, dettagli di funzionamento e ottimizzazione, nonché esempi di uso in campo biomedico-clinico.

sapere

a)    risolvere problemi teorici di termodinamica;

b)    estrarre informazioni sperimentali da un termogramma;

c)     interpretare semplici spettri NMR  e spettri di massa;

d)    progettare ed analizzare un esperimento di titolazione

e)    progettare una indagine quantitativa;

f)     interpretare per linee generali risultati spettrofotometrici e sensogrammi.

• Indicare i risultati di apprendimento attesi

Conoscenze e capacità di comprensione di:

basi della termodinamica, applicazioni microcalorimetriche a biopolimeri, interazione onde elettromagnetiche-materia, spettroscopia NMR, spettrometria di massa, metodi analitici classici, tecniche analitiche strumentali e loro applicazioni biologiche, sensoristica ed applicazioni

Utilizzazione delle conoscenze, della capacità di comprensione e della capacità di trarre conclusioni grazie alla:

risoluzione teorica di problemi, interpretazione di termogrammi, semplici spettri NMR, semplici spettri di massa, progettazione di analisi volumetriche e più in generale di analisi quantitative, individuazione delle informazioni fornite da saggi spettrofotometrici e sensoristici, identificazione delle corrette strategie di ottimizzazione dei sensori, capacità di valutazione critica  del corretto/scorretto funzionamento di una metodica analitica

Abilità comunicative sia scritte che orali e lavoro cooperativo:

- attività di laboratorio svolta in gruppo, richiesta di stesura di relazioni di laboratorio per la verifica della conoscenza di linguaggi specifici, della capacità di sintesi e di organizzazione autonoma del lavoro

-svolgimento dell’esame sia come scritto che come colloquio

Capacità di apprendere in modo continuativo:

-utilizzo del materiale didattico suppletivo fornito o indicato agli studenti grazie al quale possano colmare lacune o in cui identifichino nuove conoscenze

PROGRAMMA/CONTENUTI DELL’INSEGNAMENTO

 MODULO:

1. CHIMICA FISICA BIOLOGICA

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. 3° principio. 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 DG⁰. Cenni di elettrochimica. Transizioni di fase e capacità termica.

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

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 metallici.

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. Esercitazioni pratiche.

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.

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 MALDI. Lo spettrometro MALDI-TOF. Metodi di analisi massa-massa. Scansione di ioni prodotto o precursore. Scansione a perdita neutra costante. Sequenziamento peptidico. Identificazione di proteine. Proteomica. Risoluzione in spettrometria di massa. 

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 biomediche.

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. 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. Scambio chimico. Regimi di scambio ed effetti su chemical shift e costanti di accoppiamento scalare. Rilassamento longitudinale e trasversale e costanti di rilassamento T₁ e T₂. Effetto Overhauser nucleare (NOE) e sua misura. NOE, mobilità molecolare e struttura spaziale.  

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. TOCSY. 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, k_ex. Valori tipici di k_ex. 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 per studi funzionali.

2. CHIMICA ANALITICA

Equilibri in soluzione

Definizioni di acido e base. Coppie coniugate ed equilibrio di autoprotolisi dell’acqua. Definizione di pKa e suo significato. Definizione di pH. Diagramma di Flood. Titolazioni acido-base. Metodi di individuazione del punto equivalente. Indicatori. Soluzioni tampone ed equazione di Henderson.

Equilibri redox: definizioni; Equazione di Nernst, Introduzione alle celle elettrochimiche: misure potenziometriche ed amperometriche, struttura e funzionamento delle celle, tipologie di elettrodi (indicatore, lavorante, ausiliario ed elettrodi di riferimento) e loro funzionamento

Spettrofotometria di assorbimento molecolare

Radiazione elettromagnetica definizioni; effetti dell’interazione radiazione-materia; caratteri distintivi fondamentali fra tecniche di assorbimento e di emissione (luminescenza: fosforescenza e fluorescenza); Trasmittanza e Legge di Beer; Strumentazione per misure di assorbimento: descrizione dettagliata dello strumento e del funzionamento delle varie parti costitutive; Strumentazione per misure di emissione; Misure quantitative (sensibilità, accuratezza, precisione, rette di taratura metodo della aggiunta tarata); misure qualitative presentate rispetto a misure nel campo spettrale IR; cenni su strumentazione e misure IR.

Tecnica SPR (Surface Plasmon Resonance)

Sensori

Definizione; strategie di ottimizzazione: modifica della superficie con metodi chimici e fisici; natura dei modificatori: chimici e biologici (biosensori) esempi; Trasduttori definizione, funzionamento, principio della misura e classificazione dei sensori; Vengono approfonditi nel dettaglio costruttivo e di funzionamento i seguenti sensori: a fibra ottica, termoelettrici, piezoelettrici, potenziometrici iono-selettivi, iono-selettivi a cristallo solido, a membrana liquida, compositi, amperometrici (tecniche di misura presentate amperometria e voltammetria lineare o ciclica), biosensori enzimatici ed immunosensori. Tutti i sensori proposti vengono corredati con esempi di applicazioni di interesse biotecnologico evidenziando il tipo di informazione (qualitativa, quantitativa) che il loro uso consente di ottenere.

ATTIVITÀ DI APPRENDIMENTO E METODI DIDATTICI PREVISTI

L’insegnamento prevede:

Lezioni frontali

Esercitazioni di laboratorio

Relazioni scritte delle esercitazioni

Uso di materiale disponibile on-line 

MODALITÀ DI VERIFICA DELL’APPRENDIMENTO

L’esame consiste in:

Prova scritta per Chimica Fisica Biologica: problemi teorici di termodinamica e spettroscopia

Prova orale per Chimica Analitica: colloquio sulle tematiche proposte durante il corso

TESTI/BIBLIOGRAFIA

Costituiscono fonti di studio per l’esame:

CHIMICA FISICA BIOLOGICA

P.W. Atkins, J. De Paula- Elementi di Chimica Fisica– Zanichelli, Bologna - ISBN 978-8808-1-9285-1

A. Gambi – Esercizi di Chimica Fisica – Zanichelli, Bologna - ISBN: 9788808260789

CHIMICA ANALITICA

G.D. Christian and J.E. O'Relley, Instrumental analysis, Allyn and Bacon, Boston, 1986.

F.W. Fifield and D. Kealey, Chimica Analitica; Teoria e pratica, Zanichelli, Bologna, 1999.

Eggins, Brian R., Chemical Sensors and Biosensors, Analytical Techniques in the Sciences, John Wiley & Sons, 2002.

STRUMENTI A SUPPORTO DELLA DIDATTICA

Materiali reperibili on-line su indicazione del docente 

Software gratuiti di rappresentazione molecolare, manipolazione ed analisi spettroscopica

TESI DI LAUREA

(facoltativo)

Note

(eventuali)