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FA/0057 - CHIMICA APPLICATA AI SISTEMI BIOLOGICI

Anno Accademico ​2015/2016

Docente
MARIA CARLA ​ARAGONI (Tit.)
FLAMINIA ​CESARE MARINCOLA
SIMONA ​DISTINTO
Periodo
Primo Semestre ​
Modalità d'Erogazione
Convenzionale ​
Lingua Insegnamento
 ​



Informazioni aggiuntive

CorsoPercorsoCFUDurata(h)
[60/71] ​ ​BIOLOGIA CELLULARE E MOLECOLARE [60/71-00 - Ord. 2015] ​ ​PERCORSO COMUNE972
Obiettivi

* Apprendimento di: concetti fondamentali della chimica di coordinazione, ruolo del sito attivo in alcuni enzimi e meccanismi nel trasporto del diossigeno.
* Fornire conoscenze sulle principali tecniche spettroscopiche impiegate per lo studio di sistemi biologici.
* Acquisire le conoscenze di base dei metodi computazionali applicati all’analisi delle macromolecole biologiche.



CONOSCENZA E CAPACITA’ DI COMPRENSIONE: Il corso introduce gli studenti ai principali concetti di chimica inorganica, chimica fisica e chimica computazionale, approfondendo le conoscenze sulla struttura molecolare/macromolecolare ed i meccanismi di reazione dei sistemi biologici

CAPACITA’ APPLICATIVE: Gli studenti acquisiranno conoscenze sull'applicazione delle tecniche spettroscopiche per lo studio della struttura e reattività di macromolecole biologiche

AUTONOMIA DI GIUDIZIO: Le lezioni teoriche ed i casi di studio esaminati permetteranno agli studenti di acquisire maggiori capacità per affrontare e risolvere problemi inerenti le tematiche in studio

ABILITÀ NELLA COMUNICAZIONE: Gli studenti miglioreranno la loro capacità di presentare con competenza e con linguaggio appropriato i concetti e le problematiche proprie della disciplina

CAPACITÀ DI APPRENDERE: Gli studenti miglioreranno la loro capacità di autoaggiornamento nel campo delle conoscenze e metodologie strumentali nello studio di problematiche fisico-chimiche inerenti al settore della biologia.

Prerequisiti

Solida conoscenza di chimica inorganica, biologia e biochimica

Contenuti

CHIMICA INORGANICA BIOLOGICA (3 CFU, 24 h lezioni frontali)
•Introduzione: metalli nella chimica biologica, abbondanza, ruolo, tossicità
•Concetti base di Chimica Inorganica: diagrammi MO di molecole biatomiche (O2); acidi e basi di Lewis e donazione di elettroni.
•Principi chimica di coordinazione (bioinorganica): orbitali d e metalli di transizione; classificazione leganti. Isomeria e nomenclatura. Geometrie di coordinazione. Legame. Complessi ad Alto Spin e Basso Spin, spettroscopia elettronica.
•Principi di termodinamica (bioinorganica): spontaneità di una reazione (energia libera Gibbs); costanti di stabilità parziali (k) e globali (β) in H2O e nei fluidi biologici; selettività; stabilità termodinamica e cinetica.
•Il Diossigeno O2: generalità, MO e differenti stati di ossidazione e di molteplicità di spin; inerzia, reattività e tossicità; formazione di complessi e reattività coi MT.
•Utilizzo di O2 negli organismi viventi: gruppi Fe-eme; immagazzinamento e trasporto (Emoglobina e Mioglobina, Emeritrina, Emocianina)
•Reattività: ciclo della respirazione e meccanismi di coordinazione coinvolti nei processi di ossidoriduzione: centri Fe-S, citocromi e citocromo ossidasi.
•Tossicità O2 ed enzimi detossificanti: citocromo P450. Perossidasi e catalasi. Superossido dismutasi.

CHIMICA COMPUTAZIONALE (2+1 CFU, 16 h lezioni frontali + 12 h laboratorio):
Introduzione alla Chimica computazionale.
•Allineamento di sequenze nucleotidiche e proteiche
Algoritmi di confronto fra due sequenze o più sequenze. Cenni ai programmi di allineamento. Metodi elementari per la ricostruzione di filogenesi.
•Metodi per il calcolo della geometria ed energia molecolare: Meccanica Molecolare. Meccanica quantistica.
•Analisi strutturale delle macromolecole: Metodi per la determinazione della struttura tridimensionale a risoluzione atomica. Banche dati. Programmi di visualizzazione. Ricerche di similarità strutturale. Metodi per la predizione della struttura.
•Metodi computazionali applicati alle biomolecole. Metodi structure-based.

CHIMICA FISICA (3 CFU, 24 h lezioni frontali)
• La radiazione elettromagnetica: modello classico e quantistico. La radiazione elettromagnetica e la sua interazione con atomi e molecole. Assorbimento ed emissione di radiazioni elettromagnetiche: principi base
• Spettroscopia UV-visibile. Cromoforo. Legge Lambert-Beer. Assorbimento UV di proteine e amminoacidi, di DNA e nucleotidi. Lettura ed analisi di un lavoro scientifico pubblicato su rivista internazionale.
• Luce polarizzata linearmente e circolarmente. Attività ottica e dicroismo circolare. Spettri di dicroismo circolare. Studi conformazionali mediante spettroscopia CD.
• Spettroscopia di fluorescenza. Stati di singoletto e di tripletto. Decadimento radioattivo e non radioattivo. Conversione interna. Intersystem crossing. Quencing. Resa quantica. FRET.
• Spettroscopia IR. Modi vibrazionali di molecole lineari e non lineari. Stretching e bending. Regole di selezione. Lo spettro IR: regione delle impronte digitali e regione delle frequenze di gruppo. Lettura ed analisi di un lavoro scientifico pubblicato su rivista internazionale.
• Spettroscopia Raman. Regole di selezione. Studi strutturali mediante spettroscopia Raman
• Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR). Principi base della spettroscopia NMR. Frequenza di Larmor. Spostamento chimico. Struttura fine degli spettri NMR. Confronto tra spettri NMR di campioni in soluzione e allo stato solido. Lettura ed analisi di un lavoro scientifico pubblicato su rivista internazionale.
• Cenni sulla Spettroscopia di Risonanza di Spin Elettronico (ESR)

Metodi Didattici

Il metodo d’insegnamento prevede lezioni frontali in aula che comprendono una presentazione orale condotta attraverso il commento di materiale illustrativo.
Ogni lezione è strutturata nel seguente modo:
•una introduzione, che include una chiara presentazione degli obiettivi, delle idee chiave e della loro relazione con gli obiettivi dell’intero Corso. Scopi fondamentali dell’introduzione sono quelli di consolidare l’attenzione, rinforzare la motivazione e fornire un quadro d’insieme di ciò che verrà successivamente sviluppato;
•uno sviluppo, che presenta dettagliatamente i contenuti in modo da far risaltare le connessioni fra le idee o i punti-chiave.
•una conclusione, o riassunto, che salda insieme il tutto. La conclusione è intesa a rinforzare l’apprendimento e a ricollegare i contenuti della lezione con gli obbiettivi generali.
•per il modulo di Chimica Computazionale gli argomenti discussi in classe saranno oggetto di esercitazioni presso il laboratorio di informatica.

Verifica dell'apprendimento

Per il modulo di Chimica Inorganica Biologica l’esame è costituito da una prova scritta con 8 quesiti a risposta aperta ed una esposizione orale di un argomento a scelta dello studente
Per il modulo di Chimica Fisica è previsto un esame orale
Per il modulo di Chimica Computazionale è previsto un esame orale e una simulazione al computer in cui viene chiesto di mostrare comprensione critica dei concetti chiave e dell''applicazione delle metodologie computazionali.

Il voto finale tiene conto di vari fattori:
• Qualità delle conoscenze, abilità, competenze possedute e/o manifestate:
a) appropriatezza, correttezza e congruenza delle conoscenze
b) appropriatezza, correttezza e congruenza delle abilità
c) appropriatezza, correttezza e congruenza delle competenze
• Modalità espositiva:
a) Capacità espressiva;
b) Utilizzo appropriato del linguaggio specifico della disciplina;
c) Capacità logiche e consequenzialità nel raccordo dei contenuti;
e) Capacità di collegare differenti argomenti trovando i punti comuni e istituire un disegno generale coerente, ossia curando struttura, organizzazione e connessioni logiche del discorso espositivo;
f) Capacità di sintesi anche mediante l’uso del simbolismo proprio della materia e l’espressione grafica di nozioni e concetti, sotto forma per esempio di formule, schemi, equazioni.
Qualità relazionali:
• Disponibilità allo scambio e all’interazione con il docente durante il colloquio.
Qualità personali:
a) spirito critico;
b) capacità di autovalutazione.


Il giudizio finale può essere:
a) Sufficiente (da 18 a 20/30)
Il candidato dimostra poche nozioni acquisite, livello superficiale, molte lacune. capacità espressive modeste, ma comunque sufficienti a sostenere un dialogo coerente; capacità logiche e consequenzialità nel raccordo degli argomenti di livello elementare; scarsa capacità di sintesi e capacità di espressione grafica piuttosto stentata; scarsa interazione con il docente durate il colloquio.
b) Discreto (da 21 a 23)
Il candidato dimostra discreta acquisizione di nozioni, ma scarso approfondimento, poche lacune; capacità espressive piú che sufficienti a sostenere un dialogo coerente; accettabile padronanza del linguaggio scientifico; capacità logiche e consequenzialità nel raccordo degli argomenti di moderata complessità; più che sufficiente capacità di sintesi e capacità di espressione grafica accettabile.
c) Buono (da 24 a 26)
Il candidato dimostra un bagaglio di nozioni piuttosto ampio, moderato approfondimento, con piccole lacune; soddisfacenti capacità espressive e significativa padronanza del linguaggio scientifico; capacità dialogica e spirito critico ben rilevabili; buona capacità di sintesi e capacità di espressione grafica piú che accettabile.
d) Ottimo (da 27 a 29)
Il candidato dimostra un bagaglio di nozioni molto esteso, ben approfondito, con lacune marginali; notevoli capacità espressive ed elevata padronanza del linguaggio scientifico; notevole capacità dialogica, buona competenza e rilevante attitudine alla sintesi logica; elevate capacità di sintesi e di espressione grafica.
e) Eccellente (30)
Il candidato dimostra un bagaglio di nozioni molto esteso e approfondito, eventuali lacune irrilevanti; elevate capacità espressive ed elevata padronanza del linguaggio scientifico; ottima capacità dialogica, spiccata attitudine a effettuare collegamenti tra argomenti diversi; ottima capacità di sintesi e grande dimestichezza con l’espressione grafica.
La lode si attribuisce a candidati nettamente sopra la media, e i cui eventuali limiti nozionistici, espressivi, concettuali, logici risultino nel complesso del tutto irrilevanti.

Testi

•Shriver & Atkins’ Inorganic Chemistry 5 Ed. – P. Atkins, T. Overton, J. Rourke, M. Weller, and F. Armstrong - Oxford Press – 2010.
•Bioinorganic Chemistry: Inorganic Elements in the Chemistry of Life – W. Kaim, B. Schwederski - Wiley
•S.J.Lippard and J.M.Berg, “Principles of Bioinorganic Chemistry”, University Science Books, Mill Valey California;
•I. Bertini, H.B. Gray, S.J.Lippard and J. Selverstone Valentine, “ Bioinorganic Chemistry”, University Science Books, Sausalito, California
•Gordon G. Hammes “Spectroscopy for the Biological Sciences”, Wiley
•Atkins-De Paula, “Chimica Fisica Biologica”, Zanichelli.
•S. Pascarella, A. Paiardini, Bioinformatica. “Dalla sequenza alla struttura delle proteine”, Zanichelli, 2010.
•G. Valle, M. Helmer Citterich, M. Attimonelli, G. Pesole: “Introduzione alla Bioinformatica”, Zanichelli, 2003.
•M. Bortoluzzi. “Approccio qualitativo alla chimica computazionale”, Aracne Editrice, 2009.

Altre Informazioni

Lucidi relativi al materiale presentato a lezione

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