FISICA

LAUREA MAGISTRALE

BIOFISICA MOLECOLARE

Crediti: 
6
Sede: 
PARMA
Anno accademico di offerta: 
2020/2021
Responsabile della didattica: 
Settore scientifico disciplinare: 
FISICA DELLA MATERIA (FIS/03)
Semestre dell'insegnamento: 
Primo Semestre
Lingua di insegnamento: 

ITALIANO

Obiettivi formativi

1. Conoscenza e capacità di comprensione.
Al termine del corso ci si attende che lo studente sia in grado di:
- conoscere e comprendere le tematiche proprie della biofisica molecolare trattate nel corso
- ricordare e confrontare le principali caratteristiche delle tecniche sperimentali introdotte a lezione
- esemplificare sistemi fisici e meccanismi molecolari a cui applicare le metodologie d’indagine studiate (sperimentali e teoriche)
- comprendere contesto e concetti anche avanzati di articoli della letteratura più recente nel campo della biofisica molecolare
- conoscere e comprendere tematiche che estendono quelle affrontate nel primo ciclo e che consentono di elaborare idee originali

2. Conoscenza e capacità di comprensione applicate

Al termine del corso ci si attende che lo studente sia in grado di:
- applicare le conoscenze acquisite per affrontare lo studio teorico di un argomento di carattere biofisico
- applicare le conoscenze acquisite per individuare la metodologia sperimentale adatta per studiare un sistema di interesse biofisico, anche nuovo e inserito in un contesto più ampio
- applicare le conoscenze acquisite per individuare la metodologia, il modello e le approssimazioni per analizzare dati sperimentali acquisiti e applicarla con padronanza
- applicare le conoscenze acquisite per elaborare lo schema generale di un modello meccanicistico che descriva un processo molecolare
- svolgere un esperimento di assorbimento e fluorescenza allo stato stazionario
- eseguire con padronanza tutti i calcoli richiesti nell’acquisizione e analisi dei dati con un buon grado di autonomia

3. Autonomia di giudizio

Al termine del corso ci si attende che lo studente sia in grado di:
- saper analizzare da un punto di vista quantitativo processi biofisici rilevanti sia a livello teorico sia sperimentale
- saper valutare gli elementi per elaborare un modello meccanicistico che descriva un processo molecolare
- saper valutare con senso critico i limiti di validità dei modelli sviluppati, vantaggi/svantaggi delle metodologie sperimentali studiate, analogie e differenze tra sistemi fisici studiati
- saper valutare con senso critico i risultati sperimentali ottenuti

4. Abilità comunicative

Al termine del corso ci si attende che lo studente sia in grado di:
- saper comunicare idee-problemi-soluzioni su questioni di tematica biofisica in modo chiaro, sintetico ed efficace
- saper esplicitare le proprietà che definiscono struttura, dinamica e funzione dei sistemi proteici
- saper esplicitare le caratteristiche teoriche delle metodologie sperimentali foto-fisiche introdotte
- saper esplicitare le varie fasi di una misura di assorbimento e fluorescenza e della relativa analisi dei dati
- saper spiegare ai compagni di gruppo e al docente le varie questioni sperimentali affrontate durante le esercitazioni pratiche e i risultati ottenuti

5. Capacità di apprendere

Al termine del corso ci si attende che lo studente sia in grado di:
- collegare tra loro i diversi argomenti trattati nel corso e quelli affrontati in altri insegnamenti
- approfondire le principali tematiche in campo biofisico trattate su pubblicazioni scientifiche citate ed elaborare soluzioni e metodologie alternative
- capire le potenzialità della ricerca in Biofisica

Prerequisiti

Conoscenze di base della fisica classica e quantistica, e della chimica

Contenuti dell'insegnamento

Il corso mostra come le metodologie fisiche possano fornire strumenti fondamentali nella comprensione dei fenomeni biologici e come la Biofisica molecolare sia un’area della fisica altamente interdisciplinare ma diversa dalla biologia.
Viene affrontato il tema dell’interazione radiazione-materia e, quindi, viene approfondito un approccio di tipo foto-fisico all’individuazione dei meccanismi molecolari alla base di processi di rilevanza nel contesto cellulare. Il corso illustra, quindi, cosa rappresenti la moderna Biofisica molecolare, in particolare la bio-fotonica, approfondendo una selezione di argomenti di interesse corrente in Biofisica e alcune tecniche di analisi basate su metodi spettroscopici. Viene anche approfondito il problema dell’analisi dei dati e dell’elaborazione di modelli meccanicistici per la definizione di meccanismi molecolari.

Si possono, quindi, individuare alcuni macro-argomenti per quanto riguarda le lezioni frontali, completati da una parte di esercitazione in laboratorio:
- Proprietà chimico-fisiche dei sistemi proteici
- Proprietà funzionali delle proteine
- Interazione radiazione-materia: proprietà fotofisiche delle macromolecole biologiche
- La modellizzazione di processi biofisici

Esercitazioni (studenti suddivisi in piccoli gruppi) organizzate in:
Assorbimento e fluorescenza allo stato stazionario
Analisi dei dati

Programma esteso

1 Il sistema proteico: il legame tra struttura, dinamica e funzione. La funzione delle proteine (legame, catalisi enzimatica, interruttore molecolare, strutturale). La catalisi enzimatica e il binding. La dinamica delle proteine.
2 I fondamenti chimico-fisici della biofisica. La cinetica chimica: ordine di una reazione, stato di transizione, rate limiting step. Le interazioni fondamentali in biofisica: proprietà ed energetica.
3 Interazione radiazione-materia: principi base della foto-fisica.
Assorbimento
Regola d’oro di Fermi, momento di dipolo di transizione, regole di selezione approssimazione di Born-Oppenheimer, principio di Franck-Condon.
Spettrofotometro. Legge di Lambert Beer.
Assorbimento di proteine ed acidi nucleici.
Fluorescenza
Transizioni radiative e non radiative. Fluorescenza. Quantum yield di fluorescenza. Effetto del solvente. Cinetica dei processi fotofisici. Fosforescenza.
Spettrofluorimetro. Spettri di emissione ed eccitazione.
Fluorescenza di cromofori e proteine.
Anisotropia di fluorescenza.
Quenching di fluorescenza.
Förster Resonance Energy Transfer.
Dicroismo circolare di proteine.
Spettroscopia vibrazionale
Spettri vibrazionali e Raman.
Spettroscopia vibrazionale di proteine.
4 La modellizzazione di processi biofisici: metodi analitici e numerici
Modelli meccanicistici per definire la relazione tra struttura-dinamica-funzione nelle proteine

Esercitazioni (studenti suddivisi in piccoli gruppi) organizzate in:
Assorbimento e fluorescenza allo stato stazionario
Analisi dei dati

Bibliografia

Testi di riferimento
diapositive delle lezioni messe a disposizione sulla piattaforma Elly
articoli segnalati da riviste internazionali
"Struttura e funzione delle proteine" G.A. Petsko, D. Ringe, Zanichelli;
"Principles of fluorescence spectroscopy" J. Lakowicz, Kluver Academic/Plenum Publishers
“Proteins” T.E. Creighton, W.H. Freeman and Company

Metodi didattici

Modalità mista.
Lezioni frontali, impostate in modo da privilegiare il confronto con gli studenti. Vi saranno esercitazioni in laboratorio in cui gli studenti saranno tenuti ad applicare la teoria a un progetto di misure proposto e sviluppato secondo i criteri metodologici illustrati nelle lezioni e nel materiale bibliografico e didattico.
Le slide utilizzate a supporto delle lezioni verranno caricate nei giorni successivi alla lezione sulla piattaforma Elly. Per scaricare le slide è necessaria l’iscrizione al corso on line.
Le slide vengono considerate parte integrante del materiale didattico. Si ricorda agli studenti non frequentanti di controllare il materiale didattico disponibile e le indicazioni fornite dalla docente tramite la piattaforma Elly.

Modalità verifica apprendimento

Viene svolta una valutazione formativa continua ma informale avviando discussioni durante le lezioni e le esercitazioni per verificare quanto siano state comprese le nozioni precedentemente spiegate.
Nel caso in cui la situazione sanitaria dovesse impedire lo svolgimento delle prove di esame in presenza, le prove si svolgeranno in modalità online utilizzando le piattaforme Teams ed Elly.
La verifica sommativa dell’apprendimento avviene con la seguente modalità:

1) preparazione di relazioni di laboratorio per le esercitazioni svolte. Ogni relazione verrà corretta e discussa con gli studenti, ma saranno valutate complessivamente con scala 0-30. La lode viene assegnata nel caso del raggiungimento del massimo punteggio a cui si aggiunga la padronanza del lessico disciplinare.

2) una prova orale in cui verrà chiesto di illustrare tre temi affrontati durante le lezioni. La prova orale è valutata con scala 0-30, 10 punti per ognuna delle tre domande. La lode viene assegnata nel caso del raggiungimento del massimo punteggio su ogni item a cui si aggiunga la padronanza del lessico disciplinare. Il voto della prova orale viene comunicato immediatamente al termine della prova stessa.

Il voto finale risulterà dalla media aritmetica dei voti delle relazioni e della prova orale d’esame. Si ricorda che l'iscrizione on line all'appello è OBBLIGATORIA.

Lo studente verrà valutato in base al raggiungimento degli obiettivi precedentemente specificati:
Al fine di verificare il raggiungimento di tali obiettivi le relazioni (1) e le domande della prova orale (2) sono volte a valutare le conoscenze, la capacità di rielaborazione autonoma e originale di tali conoscenze, la capacità di applicare tali conoscenze e abilità acquisite, di collegarle e confrontarle tra loro e approfondirle tramite la letteratura di letteratura recente.
Viene assegnata una valutazione insufficiente in caso di mancato raggiungimento dei suddetti obiettivi, e in particolare dalla mancanza di una conoscenza dei contenuti minimi del corso; dall’incapacità di esprimersi con un lessico specifico appropriato, dall’incapacità di analizzare dati sperimentali (1) e proprietà fondamentali di sistemi fisici di interesse (2) e di formulare giudizi autonomi. Una valutazione pienamente sufficiente (18-23/30) è determinata dalla dimostrazione di avere appreso i contenuti minimi e fondamentali del corso; dalla capacità di esprimersi con un lessico specifico adeguato anche se semplice, da un livello sufficiente di preparazione autonoma, dalla capacità di analizzare almeno nei tratti essenziali i dati sperimentali (1) e le proprietà fondamentali di sistemi fisici di interesse (2) e di formulare giudizi autonomi ad un livello sufficiente. Un punteggio medio viene formulato se lo studente dimostra di aver raggiunto gli obiettivi specifici di apprendimento sopra esplicitati in modo più che sufficiente (24-25/30) o buono (26-27/30), mentre i punteggi più alti (28-30/30 e lode) vengono assegnati per un livello da ottimo a eccellente.

Altre informazioni

Orario di ricevimento: venerdì dalle 12:30 alle 14:30 previo appuntamento (Email). E' ovviamente possibile prendere appuntamento anche per giorni diversi della settimana.

Le modalità di erogazione e di verifica potrebbero variare in relazione all’evoluzione della pandemia da Sars-Cov2.