 |
Carlo Augusto BORTOLOTTI
Professore Associato
Dipartimento di Scienze della Vita sede ex Chimica V.Campi 103
|
Insegnamento: Chimica fisica per le biotecnologie
Biotecnologie industriali (Offerta formativa 2024)
Obiettivi formativi
- Acquisire i concetti di base in chimica fisica necessari alla comprensione di sistemi biologici complessi e propedeutici alla comprensione di aspetti fondamentali e applicativi che verranno affrontati in altri insegnamenti proposti dal Corso di Studi.
- Stabilire connessioni fra modelli teorici ed approcci sperimentali nel campo della biochimica e della biofisica.
Per una più completa comprensione degli obiettivi formativi, si rimanda alla lettura dei risultati di apprendimento attesi a seguito dello svolgimento del presente percorso formativo.
Prerequisiti
Conoscenze di base acquisite nella scuola secondaria di secondo grado e durante il corso di matematica affrontato nel corso della laurea triennale. Tali conoscenze comprendono: concetto di derivata, di integrale, proprietà di esponenziali e logaritmi. Gli/le studenti/esse dovranno essere in grado di interpretare semplici equazioni e grafici.
Biochimica e Biologia strutturale: Conoscenze di base di base riguardanti la struttura di macromolecole biologiche (proteine e acidi nucleici); cinetica enzimatica.
Programma del corso
1) Breve introduzione alla chimica quantistica (1,5 CFU – 12 ore)
Principi della teoria quantistica
Atomi idrogenoidi e polielettronici
Il legame chimico
Composti di coodinazione: aspetti generali e rilevanza in sistemi biologici, incluse metalloproteine
2) Interazioni non covalenti (0,5 CFU – 4 ore)
Ripasso degli aspetti generali relativi a interazioni fra cariche parziali, fra dipoli, legame a H, momenti di dipolo indotti, interazioni di dispersione.
Esempi di regolazione del rapporto struttura/funzione di proteine tramite modifiche reversibili delle proprietà elettrostatiche.
3) Termodinamica (2 CFU – 16 ore)
- Introduzione alla bioenergetica: calore, lavoro, energia. Primo principio della termodinamica.
- Entalpia: definizione, entalpia di legame, di transizione di fase, di combustione. Tecniche calorimetriche per investigare sistemi biologici. Nitrogenasi: rapporto struttura/funzione.
- Entropia: definizione termodinamica e statistica, secondo principio della termodinamica. Concetti di stato e microstato, relazione con proprietà dinamiche di proteine.
- Energia libera di Gibbs: Delta G come indicatore di spontaneità e di efficienza, relazione con composizione della miscela di reazione. Esempi di reazioni accoppiate in biologia: trasportatore di maltosio e ATP sintasi.
- Potenziale chimico
- Soluzioni elettrolitiche, attività ionica, teoria di Debye Hückel, Proprietà colligative. Antifreeze proteins: rapporto stuttura/funzione.
- Interazione idrofobica: ripasso degli aspetti generali, impatto sul processo di legame fra ligando e proteina (recettore).
4) Capire i sistemi biologici usando la chimica fisica (1 CFU – 8 ore):
- Sistemi fotosintetici
- Enzimi che degradano biomasse per produzione di biofuels
5) Laboratorio informatico (1 CFU – 8 ore):
acquisire competenze nell'uso di software di visualizzazione molecolare e di tools on line per esplorare proprietà strutturali di classi di proteine descritte nel corso delle lezioni frontali, per prevedere l'instaurarsi di interazioni non covalenti e per investigare l'effetto di modifiche strutturali sulle proprietà funzionali di una macromolecola biologica.
Metodi didattici
L’insegnamento viene erogato tramite:
- lezioni frontali, svolte anche attraverso l’ausilio di mezzi audiovisivi e in alcuni casi tramite analisi guidata di articoli di letteratura;
- esercitazioni pratiche individuali in laboratorio informatico.
Sia le lezioni frontali che le esperienze di laboratorio informatico sono tenute in presenza. La frequenza alle lezioni non è obbligatoria.
L’insegnamento è erogato in lingua italiana.
Testi di riferimento
- Chimica Fisica Biologica, P.W. Atkins, Zanichelli
- The Molecules of Life, Kuriyan, Konforti & Wemmer, Garland Science
Altro testo consigliato:
- Molecular Driving Forces, Dill & Bromberg, Garland Science
Sulla pagina del portale Moodle del corso verranno caricate prima di ogni lezione le dispense utilizzate nel corso delle lezioni frontali.
Verifica dell'apprendimento
La valutazione dell'apprendimento avverrà tramite esame orale che si svolgerà al termine dell’insegnamento, seguendo il calendario ufficiale degli appelli d’esame. L’esame avrà una durata approssimativa di 45 minuti e sarà costituito da:
- 3 domande a risposta aperta a tema, ciascuna relativa ad uno degli argomenti presentati nell’intero programma del corso (incluse le esperienze di laboratorio). Per ciascuno degli argomenti definiti dalla domanda aperta il docente potrà verificare il grado di conoscenza tramite domande specifiche a risposta chiusa. Le domande a risposta aperta sono tese a valutare: le conoscenze, la capacità di sintesi, la capacità di comprensione, l’uso di linguaggio specifico corretto, l’autonomia di giudizio.
- 1 domanda a risposta chiusa per verificare la capacità dello/a studente/ssa di utilizzare criticamente le conoscenze acquisite per la risoluzione di un problema.
Risultati attesi
A. Conoscenza e capacità di comprensione: Tramite lezioni in aula, letture guidate e discussioni collegiali lo/a studente/ssa approfondisce le conoscenze riguardanti aspetti strutturali e termodinamici delle biomolecole anche applicate agli ambiti del riconoscimento molecolare e dell’auto-organizzazione. Lo/a studente/ssa acquisisce anche i principi di base della chimica quantistica e la rilevanza per la comprensione di struttura e funzione di sistemi biologici. Lo/a studente/ssa acquisisce anche i principi alla base delle tecniche di determinazione strutturale e funzionale delle biomolecole, nonchè le conoscenze fondamentali per comprendere le principali tecniche di modellistica molecolare che verranno descritte in corsi successivi del piano di studi.
B. Capacità di applicare conoscenza e comprensione: Tramite la risoluzione di problemi proposti a lezione, lo/a studente/ssa è in grado di prevedere l’impatto di modifiche strutturali sulle proprietà di una biomolecola, di valutare in modo critico e scegliere fra le diverse tecniche per l'ingegnerizzazione delle proprieta' funzionali di molecole di interesse bio-tecnologico, e di comprendere i risultati provenienti dall'uso di metodologie computazionali per la determinazione strutturale e funzionale delle molecole biologiche. Lo/a studente/ssa è in grado di utilizzare le nozioni di chimica fisica fornite durante il corso per comprendere gli aspetti fondamentali di processi di estrema rilevanza in ambito biotecnologico quali la fotosintesi o la degradazione di biomasse ad opera di enzimi. In generale, lo/a studente/ssa sarà in grado di applicare metodologie ad ampio spettro per la ricerca biotecnologica industriale.
C. Autonomia di giudizio: Lo/a studente/ssa è in grado di comprendere e discutere criticamente articoli di letteratura tecnico-scientifica; è inoltre consapevole del tipo di informazioni che sono ottenibili con diverse tecniche sperimentali e di individuare quelle piu' appropriate per la caratterizzazione di biomolecole e biosistemi.
D. Abilità comunicative: Lo/a studente/ssa affina la propria capacità espositiva in lingua italiana, esercitando la capacità di selezionare il linguaggio specifico più appropriato. Lo/a studente/ssa è in grado di sintetizzare i concetti proposti a lezione in modo efficace e conciso. Lo/a studente/ssa affina anche capacità informatiche di base e specifiche relative alla visualizzazione di biomolecole e alla loro indagine.
E. Capacità di apprendimento: Le attività descritte consentono allo/a studente/ssa di acquisire gli strumenti metodologici per sviluppare ulteriormente le proprie conoscenze, tramite percorsi formativi ulteriori o autoapprendimento.