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Andrea ALESSANDRINI
Professore Associato
Dipartimento di Scienze Fisiche, Informatiche e Matematiche sede ex-Fisica
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Insegnamento: Biological Physics with Laboratory
Physics - Fisica (Offerta formativa 2022)
Obiettivi formativi
Conoscenza e capacità di comprensione:
Al termine del corso lo studente avrà conoscenza delle tipologie di forze che agiscono in ambiente acquoso su sistemi biologici molecolari. Conoscerà il ruolo che tali forze hanno nel determinare la struttura di biopolimeri e biomembrane. Avrà consapevolezza del ruolo delle fluttuazioni statistiche nella determinazione del funzionamento di biosistemi a due stati. Verrà a conoscenza di un’ampia fenomenologia di tali sistemi di origine biologica. Lo studente conoscerà aspetti della meccanica del continuo di rilevanza per i sistemi biologici.
Capacità di applicare conoscenza e comprensione:
Al termine del corso lo studente sarà in grado di applicare i concetti appresi a svariati sistemi biologici e di origine biologica.
Autonomia di giudizio:
Al superamento dell’esame finale lo studente saprà riconoscere i vari tipi di interazioni coinvolte nei principali fenomeni di rilevanza biofisica, conoscerà aspetti della meccanica di rilevanza per i sistemi di interesse biologico (cellule, doppi strati lipidici) e avrà consapevolezza delle principali tecniche sperimentali atte a studiarle.
Abilità comunicative:
Al superamento dell’esame finale lo studente sarà in grado di relazionare sugli argomenti presentati nel corso con un linguaggio tecnico adeguato e utilizzare un formalismo matematico corretto.
Capacità di apprendimento:
L’attività di studio, in parte svolta con l’ausilio di testi in lingua inglese, consentirà allo studente lo sviluppo di abilità di apprendimento autonomo e di argomenti ulteriori rispetto a quelli presentati nel corso.
Prerequisiti
Nessuno obbligatorio. Sono suggerite conoscenze elementari di Fisica classica, inclusa termodinamica, teoria delle probabilità e statistica e le conoscenze di chimica e struttura dei biopolimeri derivanti dal corso Chimica Fisica delle Biomolecole.
Programma del corso
I parte 1 CFU
-Introduzione: definizione di sistema biologico e del concetto di vita;
- Concetti di self assembling di lipidi;ipotesi "lipid rafts".
- La diffusione e le leggi di Fick. Diffusione attraverso una membrana. Coefficiente di partizione. Soluzioni ideali ed energia di mixing. Pressione osmotica e legge di van't Hoff
II parte 2 CFU
- transizioni di fase in doppi strati lipidici. Soluzioni regolari e diagrammi di fase di doppi strati lipidici. Regola della leva. Miscele ternarie di lipidi.
- Cooperatività nei processi biologici. Relazione di van't Hoff
- Fenomeni critici e cooperatività. Curva spinodale e fluttuazioni. Breve descrizione della teoria di Landau delle transizioni di fase e degli esponenti critici.
III parte 1 CFU
- Meccanica dei doppi strati lipidici. Canali ionici mecanosensibili in doppi strati lipidici. Misura delle proprietà meccaniche di un doppio strato lipidico.
- Termodinamica e meccanica del doppio strato lipidico. Le fluttuazioni e la varianza dell'energia di un sistema. Relazione tra capacità termica di un sistema e fluttuazioni. Comprimibilità isotermica di volume e di area. Costante di bending per un doppio strato lipidco e sua dipendenza dalla temperatura.
- Proprietà meccaniche di cellule. Il microscopio a forza atomica per lo studio delle proprietà meccaniche di cellule. Il citoscheletro cellulare come matrice polimerica. Proprietà reologiche di polimeri semiflessibili.Misura sperimentale delle proprietà meccaniche di cellule e loro relazione con la matrice extracellulare.
IV parte 2 CFU
Le pinze ottiche per lo studio del ripiegamento di proteine.
Esperienze di laboratorio su:
Misura delle proprietà meccaniche di doppi strati lipidici
Misura della temperatura critica per un monostrato lipidico
Misura della forza di denaturazione di proteine con le pinze ottiche
Metodi didattici
Lezioni frontali ed esercitazioni di laboratorio
Orario di ricevimento:
giovedì 14-16 Edifio di Fisica
su appuntamento concordato via e-mail
Testi di riferimento
-Meyer B. Jackson, Molecular and Cellular Biophysics, Cambridge University Press, (2010).
-Jacob N. Israelachvili, Intermolecular and Surface Forces, Academic Press, (2010).
- Ken Dill, Sarina, Bromberg Molecular Driving Forces, Garland Science (2010)
- Rob Phillips, Jane Kondev, Julie Theriot, Hernan Garcia, Physical Biology of the Cell Garland Science (2012)
Verifica dell'apprendimento
Esame orale insieme ad una relazione scritta della attività di laboratorio (1h). L'esame si basa su domande su entrambe le parti del corso con una discussione sulla attività di laboratorio.
Risultati attesi
L’attività di studio, in parte svolta con l’ausilio di testi in lingua inglese, dovrà consentire allo studente lo sviluppo di abilità di apprendimento autonomo su argomenti ulteriori rispetto a quelli presentati nel corso.
1 Conoscenza e capacità di comprensione (lo studente conoscerà i principi fisici fondamentali alla base di alcuni sistemi di interesse biologico)
2 Capacità di applicare conoscenza e comprensione (Lo studente saprà interpretare in modo quantitativo i fenomeni naturali, formulare modelli matematici e saprà risolvere semplici problemi di fisica biologica)
3 Autonomia di giudizio (lo studente saprà valutare il senso fisico dei risultati ottenuti tramite lo svolgimento di esercizi)
4 Abilità comunicative (Lo studente saprà comunicare quanto appreso avvalendosi di schemi e risposte a quesiti sugli argomenti del corso)
5 Capacità di apprendimento (lo studente sarà in grado di affrontare studi più approfonditi sugli aspetti fisici dei sistemi biologici)