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) R. Pierantoni, G. Cobellis, R. Meccariello, R. Chianese “Fondamenti di Biologia e Genetica” EDISES
B) V. Taglietti, C. Casella “Fisiologia e Biofisica” EDISES
C) J.P. Allen, Biophysical Chemistry, Wiley-Blackwell
D) D.Halliday, R.Resnick, J.Walker “Fondamenti di Fisica” 7a Edizione, Casa Editrice Ambrosiana
E) J. R. Lakowicz “Principles of Fluorescence Spectroscopy” 2nd Ed. Kluwer Academic
F) I. N. Serdyuk, N. R. Zaccai, J. Zaccai “Methods in Molecular Biophysics” Cambridge University Press

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.

1) Introduzione al corso. Il ruolo della biofisica dallo studio di sistemi complessi allo sviluppo di tecniche sperimentali e dispositivi.
2) Caratteri generali della materia vivente. Caratteristiche generali della materia vivente. Approccio sperimentale ai fenomeni biologici. Teoria cellulare. Flusso di materia ed energia nella materia vivente. Cap. 1 Rif. A
3) Composizione chimica della materia vivente. Importanza biologica dell’acqua. Composti del carbonio. Principali classi di composti biologici. Macromolecole biologiche e informazioni biologiche. Proteine. Acidi nucleici. Cap. 2 Rif. A
4) Energia ed attività vitale. Organismi viventi e la termodinamica. I sistemi termodinamici. I due principi della termodinamica. Entropia ed energia libera. Energia e reazioni chimiche. Velocità delle reazioni chimiche. 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 cinetica enzimatica. Ossidazioni cellulari. Accumulo di energia libera nell’ATP e sua liberazione. Processi mitocondriali e produzione di ATP. Cap. 2 Rif. B, Cap. 2 Rif. A
5) Cellula procariotica ed eucariotica: strutture e compatimenti cellulari. Cellula procariotica. Cellula eucariotica. Cap. 3 Rif. A
6) Trasporto delle sostanze attraverso le membrane biologiche. Definizione di flusso e di “driving force”. Diffusione di un soluto in una soluzione acquosa ed attraverso una membrana. 1° e 2° Legge di Fick. Permeabilità della membrana. Diffusione dei gas: equilibri Gas-Liquido, Legge di Henry, Tensione di vapore, Legge di Rault. Diffusione dei gas nei sistemi biologici: diffusione dell’ossigeno, dell’azoto, dei gas anestetici. Ossigeno trasportato dall’emoglobina. Cap. 4 Rif. B
7) Osmosi ed applicazioni nei sistemi biologici. Spiegazione dell’osmosi. Membrane semipermeabili ed equilibri osmotici: pressione osmotica e Legge di van’t Hoff. Equilibri osmotici nel sangue e flussi attraverso i capillari: pressione oncotica ed ipotesi di Starling. Capillari polmonari. Capillari intestinali. Membrane renali. Cap. 6 Rif. B
8) Flussi ionici e potenziali transmembranali. Potenziali ed equilibri elettrochimici. Equazione di Nernst. Equilibrio di Donnan. La pressione oncotica. Potenziale di membrana a riposo. Equazione di Goldman-Hodgkin-Katz. Flussi ionici in assenza di equilibrio e meccanismi di trasporto attivo (Pompa Sodio-Potassio). Lavoro di membrana. Le attività biolettriche: cenni sul potenziale d’azione. Cap. 7 Rif. B
9) La membrana cellulare come condensatore elettrico. Circuito elettrico equivalente. Proprietà bioelettriche passive: Resistenza e Capacità. Stima delle conduttanze dei canali ionici. Calcolo del potenziale di riposo mediante la legge di Ohm. Cap. 6 Rif. B
10) Transizioni elettroniche e spettroscopia ottica. Diagramma di Jablonski La legge di Beer-Lambert. Coefficiente di assorbimento. Transizioni. Regole di selezione. Il principio di Franck-Condon. Fluorescenza e fosforescenza. Cap.14 Rif. C
11) Interferenza e diffrazione. Ottica fisica. Condizioni per l’interferenza. Esperimento della doppia fenditura di Young. L’interferenza delle onde luminose. Figure di diffrazione. Il reticolo di diffrazione e suo funzionamento. Cap. 35 e 36 Rif. D
12) Principi di spettroscopia di assorbimento e di fluorescenza. Caratteristiche fisiche di sorgenti e rivelatori. Cap.2 Rif. E
13) 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 Cap.15 Rif. C
14) Risonanza magnetica. Shift chimico. Interazione spin-spin. Tecnica impulsata. NMR bidimensionale. Spettro NMR di amino acidi. Struttura iperfine. Imaging Cap.16 Rif. C
15) 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. Imaging a multi fotoni. Cap. 19 Rif. C
16) Spettrometria di massa. Principi fisici. Componenti di uno spettrometro di massa: sistema di ionizzazione, analizzatore di massa, rivelatore, sistema di acquisizione del segnale, sistema di vuoto. Analisi di uno spettro di massa. Accoppiamento con la cromatografia liquida ad alta prestazione. Analisi quali/quantitativa. Esempi applicativi in ambito clinico-ambientale. Cap. B1 e B2 Rif. F

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) R. Pierantoni, G. Cobellis, R. Meccariello, R. Chianese “Fondamenti di Biologia e Genetica” EDISES
B) V. Taglietti, C. Casella “Fisiologia e Biofisica” EDISES
C) J.P. Allen, Biophysical Chemistry, Wiley-Blackwell
D) D.Halliday, R.Resnick, J.Walker “Fondamenti di Fisica” 7a Edizione, Casa Editrice Ambrosiana
E) J. R. Lakowicz “Principles of Fluorescence Spectroscopy” 2nd Ed. Kluwer Academic
F) I. N. Serdyuk, N. R. Zaccai, J. Zaccai “Methods in Molecular Biophysics” Cambridge University Press

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

1) Introduction to the course. The role of biophysics from the study of complex systems to the development of experimental techniques and devices.
2) General characters of living matter. General characteristics of living matter. The experimental approach to biological phenomena. Cell theory. The flow of matter and energy in living matter. Chap. 1 Ref. A
3) Chemical composition of living matter. Biological importance of water. Carbon compounds. Main classes of biological compounds. Biological macromolecules and biological information. Protein. Nucleic acids. Chap. 2 Ref. A
4) Energy and vital activity. Living organisms and thermodynamics. Thermodynamic systems. The two principles of thermodynamics. Entropy and free energy. Energy and chemical reactions. Enzymatic kinetics. The general principles of catalysis. The equations of enzymatic kinetics. Michaelis-Menten's law. Lineweaver-Burk equation. Enzyme activity. The effects of pH on enzymatic kinetics. Cell oxidations. Accumulation of free energy in the ATP and its release. Mitochondrial processes and ATP production. Chap. 2 Ref. B, Chap. 2 Ref. A
5) Prokaryotic and eukaryotic cells: cellular structures and compliments. Prokaryotic cell. Eukaryotic cell. Chap. 3 Ref. A
6) Transportation of substances through biological membranes. Definition of flow and driving force. Diffusion of a solute in an aqueous solution and through a membrane. 1st and 2nd Fick's Law. Membrane permeability. Diffusion of gases: Gas-Liquid equilibria, Henry's law, Vapor pressure, Raoult's law. Diffusion of gases in biological systems: diffusion of oxygen, nitrogen, anesthetic gases. Oxygen transported by hemoglobin. Chap. 4 Ref. B
7) Osmosis and applications in biological systems. Explanation of osmosis. Semi-permeable membranes and osmotic balances: osmotic pressure and van Hoff's law. Osmotic balances in the blood and flows through the capillaries: oncotic pressure and Starling hypothesis. Pulmonary capillaries. Intestinal capillaries. Kidney membranes. Chap. 6 Ref. B
8) Ion flows and transmembrane potentials. Electrochemical potentials and balances. Nernst equation. Donnan equilibrium. Oncotic pressure. Resting membrane potential. Goldman-Hodgkin-Katz equation. Ion flows in the absence of equilibrium and active transport mechanisms (Sodium-Potassium pump). Membrane work. Bio-electric activities: notes on the action potential. Chap. 7 Ref. B
9) The cell membrane as an electrical condenser. Equivalent electrical circuit. Passive bioelectric properties: Resistance and capacity. The estimate of the conductances of the ion channels. Calculation of the resting potential by Ohm's law. Chap. 6 Ref. B
10) Electronic transitions and optical spectroscopy. Jablonski diagram. Beer-Lambert's law. Absorption coefficient. Transitions. Selection rules. The Franck-Condon principle. Fluorescence and phosphorescence. Chap. 14 Ref. C
11) Interference and diffraction. Physical optics. Conditions for interference. Young's double-slit experiment. The interference of light waves. Diffraction figures. The diffraction grating and its functioning. Chap. 35 and 36 Ref. D
12) Principles of absorption and fluorescence spectroscopy. Physical characteristics of sources and detectors. Chap.2 Ref. E
13) X-ray diffraction. Bragg's law. Bravais pattern. Protein crystals. Diffraction from crystals. Phase determination: molecular substitution, isomorphic substitution, anomalous dispersion. Development of a model. Experimental X-ray diffraction measurements. EXAFS Cap.15 Ref. C
14) Magnetic resonance. Chemical shift. Spin-spin interaction. Pulsed technique. Two-dimensional NMR. NMR spectrum of amino acids. Hyperfine structure. Imaging Cap.16 Ref. C
15) Molecular imaging Imaging of cells and tissues. Green Fluorescent Protein (GFP). Mechanisms of chromophores formation. Fluorescent resonance energy transfer (FRET). Imaging of GFP in cells. Radioactive decays. PET. Multiphoton imaging. Chap. 19 Ref. C
16) Mass spectrometry. Physical principles. Components of a mass spectrometer: ionization system, the mass analyzer, detector, signal acquisition system, vacuum system. Analysis of a mass spectrum. Coupling with high-performance liquid chromatography. Qualitative/quantitative analysis. Application examples in the clinical-environmental field. Chap. B1 and B2 Ref. F