Corso Integrato di Chimica fisica-biologica e Chimica analitica. Modulo I e Mod. II
CORSO DI STUDIO: BIOTECNOLOGIE a.a. 2015/2016
Denominazione insegnamento: Corso integrato di Chimica Fisica Biologica e Chimica Analitica. Mod. I e Mod. II.
Denominazione insegnamento (in inglese): Biological Physical Chemistry and Analytical Chemistry
Lingua dell’insegnamento: Italiano/Inglese se richiesto (es. per studenti Erasmus)
Crediti e ore di lezione: 9 crediti 100 ore lezioni incluse esercitazioni di laboratorio
Moduli: X SÌ * NO
Se sì, specificare denominazione; Chimica Fisica Biologica; Chimica Analitica
Settore/i scientifico disciplinare: modulo Chimica Fisica Biologica (FIS/O7); modulo Chimica Analitica (CHIM/01);
Mod. I Chimica Fisica Biologica (FIS/O7)
Docente (nome e cognome): prof. Gennaro Esposito
Indirizzo email: gennaro.esposito@uniud.it
Pagina web personale: http://nyuad.nyu.edu/en/research/faculty-research/nmr-group.html
Mod. II modulo Chimica Analitica (CHIM/01)
Docente (nome e cognome): prof.ssa Sabina Susmel
Indirizzo email: sabina.susmel@uniud.it
Pagina web personale:
PREREQUISITI E PROPEDEUTICITÀ |
Chimica e Fisica Generali; Chimica Organica; Analisi Matematica |
CONOSCENZE E ABILITÀ DA ACQUISIRE |
Lo/la studente/essa dovrà: conoscere a) le basi generali della termodinamica chimica, insieme all’applicazione delle metodiche termodinamiche microcalorimetriche a biopolimeri e loro complessi; b) le basi dell’interazione tra onde elettromagnetiche e materia per introdurre principi generali ed applicazioni spettrometriche biotecnologiche delle spettroscopie ottiche; c) le basi e le applicazioni ai biopolimeri della spettroscopia NMR; d) le basi della spettrometria di massa applicata applicata ai biopolimeri; e) i richiami alla teoria e ai metodi classici (equilibri in soluzione e titolazioni); f) le tecniche strumentali tradizionali, in particolare le tecniche ottiche (spettrofotometria molecolare di assorbimento e tecniche di emissione) nel dettaglio degli aspetti tecnico-applicativi; g) le tecniche strumentali più moderne per applicazioni biotecnologiche, cioè la sensoristica, con relativi aspetti tecnici, dettagli di funzionamento e ottimizzazione, nonché esempi di uso in campo biomedico-clinico. sapere a) risolvere problemi teorici di termodinamica; b) estrarre informazioni sperimentali da un termogramma; c) interpretare semplici spettri NMR e spettri di massa; d) progettare ed analizzare un esperimento di titolazione e) progettare una indagine quantitativa; f) interpretare per linee generali risultati spettrofotometrici e sensogrammi.
Conoscenze e capacità di comprensione di: basi della termodinamica, applicazioni microcalorimetriche a biopolimeri, interazione onde elettromagnetiche-materia, spettroscopia NMR, spettrometria di massa, metodi analitici classici, tecniche analitiche strumentali e loro applicazioni biologiche, sensoristica ed applicazioni Utilizzazione delle conoscenze, della capacità di comprensione e della capacità di trarre conclusioni grazie alla: risoluzione teorica di problemi, interpretazione di termogrammi, semplici spettri NMR, semplici spettri di massa, progettazione di analisi volumetriche e più in generale di analisi quantitative, individuazione delle informazioni fornite da saggi spettrofotometrici e sensoristici, identificazione delle corrette strategie di ottimizzazione dei sensori, capacità di valutazione critica del corretto/scorretto funzionamento di una metodica analitica Abilità comunicative sia scritte che orali e lavoro cooperativo: - attività di laboratorio svolta in gruppo, richiesta di stesura di relazioni di laboratorio per la verifica della conoscenza di linguaggi specifici, della capacità di sintesi e di organizzazione autonoma del lavoro -svolgimento dell’esame sia come scritto che come colloquio Capacità di apprendere in modo continuativo: -utilizzo del materiale didattico suppletivo fornito o indicato agli studenti grazie al quale possano colmare lacune o in cui identifichino nuove conoscenze |
PROGRAMMA/CONTENUTI DELL’INSEGNAMENTO |
MODULO: 1. CHIMICA FISICA BIOLOGICA Termodinamica: Sistemi e processi. Trasformazioni reversibili ed irreversibili. Passaggi di stato. Variabili di stato, equazione di stato. Stato di equilibrio. Stato stazionario. Gas ideali e reali. Teoria cinetica dei gas. Lavoro e calore. Capacità termica dei gas e dei solidi. Principio zero. Temperatura e scale termometriche. 1° principio. Energia interna. Lavoro e calore in processi reversibili ed irreversibili. Processi isocori ed isobarici. Entalpia, legge di Hess. Il potenziale termodinamico. L’entropia ed il 2° principio. Significato statistico dell’entropia. 3° principio. Trasformazioni ed energia libera di Gibbs e di Helmoltz. Potenziale chimico. Stati di riferimento. Criteri di spontaneità di un processo. L’equilibrio, la costante di equilibrio e DG0. Cenni di elettrochimica. Transizioni di fase e capacità termica. Fenomeni ondulatori: Onde elettromagnetiche. Richiami su spettro elettromagnetico, interazione radiazione materia e principali spettroscopie ottiche. Polarizzazione. Applicazioni a biopolimeri di dicroismo circolare. Microcalorimetria: Diagramma di stato e transizioni di fase. DSC, ITC e applicazioni biotecnologiche. Entalpia, entropia ed energia libera di Gibbs e loro variazione con la temperatura. Entalpia calorimetrica e secondo van’t Hoff. Elaborazione di termogrammi. Microcalorimetria di proteine, acidi nucleici e biomolecole. Procedure ed apparati sperimentali. Applicazioni per studi biofisici. Studio di stabilità termica di proteine (unfolding e refolding). Studi di interazione biomolecole-ligandi. Competizione di legame tra stato nativo e denaturato. Effetti di pH e forza ionica. Interazioni con ioni metallici. Termodinamica di biopolimeri: Misura della stabilità conformazionale di proteine. Selezione e criteri di scelta delle tecniche di misura. Generalità sull’applicazione di tecniche spettroscopiche e non. Denaturazione termica e con agenti chimici. Elaborazione dei dati sperimentali. Equilibrio e reversibilità. Procedure sperimentali per studi di denaturazione. Esercitazioni pratiche. Cinetica: Estensione di concetti termodinamici e teoria dello stato di transizione.Cinetica di reazione ed equazione empirica di Arrehnius. Energia di attivazione e velocità assoluta. Equazione di Eyring. Energia ed entalpia di attivazione e corrispondenti termodinamici. Spettrometria di massa: Richiami teorici di elettromagnetismo. Campi di applicazione della spettrometria di massa. Applicazioni di interesse biotecnologico. Massa molecolare, definizione ed accuratezza. Massa molecolare nominale, media e monoisotopica. Distribuzione isotopica naturale e utilizzazione in spettrometria di massa. Lo spettrometro di massa. Iniezione diretta, per via cromatografica e per via elettroforetica. Metodi di ionizzazione. Metodi di ionizzazione soft. Analizzatori a settore magnetico o quadrupolo, analizzatore TOF, analizzatore a risonanza ciclotronica. Strumenti a doppio o multiplo analizzatore e spettrometria di massa tandem o massa-massa. L’importanza delle metodiche di ionizzazione soft in analisi di biopolimeri. Ionizzazione elettrospray. Tecnica nanospray. Dettagli su ionizzazione MALDI. Lo spettrometro MALDI-TOF. Metodi di analisi massa-massa. Scansione di ioni prodotto o precursore. Scansione a perdita neutra costante. Sequenziamento peptidico. Identificazione di proteine. Proteomica. Risoluzione in spettrometria di massa. Applicazioni a biopolimeri per determinazioni strutturali e funzionali della spettrometria di massa: Spettrometria di massa in proteomica e metabonomica. Analisi di mappe 2D e proteomica quantitativa. Metodi alternativi. ICAT e MCAT. Prefrazionamento elettroforetico o cromatografico. Protein Chip. Determinazione di modificazioni posttraduzionali mediante spettrometria di massa. Applicazioni analitiche biomediche. Spettroscopia NMR: Generalità sul magnetismo. Correnti in spire e momento di dipolo magnetico. Interazione momento-campo magnetico. Forza di Lorentz. Nuclei e momento magnetico di spin nucleare. Descrizione classica. Precessione ed equazione di Larmor. Rapporto giromagnetico. Descrizione quantomeccanica. Quantizzazione del momento angolare di spin nucleare e del momento di dipolo magnetico nucleare. Transizioni e regole di selezione. Magnetizzazione macroscopica longitudinale e trasversale. Eccitazione NMR e impulsi di radiofrequenza. Sistema di riferimento rotante e di laboratorio. Coerenza di fase e segnale NMR. Campionamento di segnale e trasformata di Fourier. FID. Intensità del segnale NMR. Chemical shift e natura chimica. Chemical shift di biopolimeri. Chemical shift limite e contributi di struttura secondaria e terziaria. Chemical Shift Index. Accoppiamento scalare. Molteplicità ed accoppiamento scalare. Scambio chimico. Regimi di scambio ed effetti su chemical shift e costanti di accoppiamento scalare. Rilassamento longitudinale e trasversale e costanti di rilassamento T1 e T2. Effetto Overhauser nucleare (NOE) e sua misura. NOE, mobilità molecolare e struttura spaziale. Applicazioni a biopolimeri per determinazioni strutturali e funzionali della spettroscopia NMR : Spettroscopia NMR multidimesionale. Campionamento discreto e frequenza di campionamento. Acquisizione discreta indiretta nella seconda dimensione. Trasformata in due dimensioni. Spettri 2D omonucleari ed eteronucleari. Concetto di correlazione o connettività. Correlazioni scalari e dipolari. Spettri di tipo COSY. Pattern COSY di amminoacidi e nucleotidi ed identificazione dei sistemi di spin. TOCSY. Correlazioni dipolari e spettri NOESY. Assegnazione sequenziale. Correlazioni dipolari e struttura molecolare. Riconoscimento di struttura secondaria di proteine. Struttura secondaria ed assegnazione sequenziale. Scambio isotopico: Applicazioni classiche dello scambio isotopico a proteine. Meccanismi di scambio isotopico per polipeptidi. Catalisi acida e basica. La costante di scambio complessiva, kex. Valori tipici di kex. Dipendenza dalla temperatura. Dipendenza dal pH. Effetti della sequenza sulle velocità di scambio. Contributo di struttura secondaria e terzaria. Fattore di protezione. Scambio in polipeptidi destrutturati. Scambio in polipeptidi strutturati. Meccanismo dell’apertura locale. Regimi limite di scambio EX1 e EX2. Processi di scambio correlate e non. Costanti fenomenologiche di scambio e stabilità termodinamica locale. Misure di scambio isotopico. Incorporazione di 3H. Metodo IR. Massa ridotta e frequenze di assorbimento IR. La banda ammide II. Metodi di spettrometria di massa. Scambio isotopico e frammentazione proteolitica. Tarature e retroscambio. Distribuzione di pattern isotopici. Condizioni di misura e distribuzioni bimodali. Misure di scambio isotopico mediante NMR. Applicazioni per studi funzionali.
2. CHIMICA ANALITICAEquilibri in soluzione Definizioni di acido e base. Coppie coniugate ed equilibrio di autoprotolisi dell’acqua. Definizione di pKa e suo significato. Definizione di pH. Diagramma di Flood. Titolazioni acido-base. Metodi di individuazione del punto equivalente. Indicatori. Soluzioni tampone ed equazione di Henderson. Equilibri redox: definizioni; Equazione di Nernst, Introduzione alle celle elettrochimiche: misure potenziometriche ed amperometriche, struttura e funzionamento delle celle, tipologie di elettrodi (indicatore, lavorante, ausiliario ed elettrodi di riferimento) e loro funzionamento Spettrofotometria di assorbimento molecolare Radiazione elettromagnetica definizioni; effetti dell’interazione radiazione-materia; caratteri distintivi fondamentali fra tecniche di assorbimento e di emissione (luminescenza: fosforescenza e fluorescenza); Trasmittanza e Legge di Beer; Strumentazione per misure di assorbimento: descrizione dettagliata dello strumento e del funzionamento delle varie parti costitutive; Strumentazione per misure di emissione; Misure quantitative (sensibilità, accuratezza, precisione, rette di taratura metodo della aggiunta tarata); misure qualitative presentate rispetto a misure nel campo spettrale IR; cenni su strumentazione e misure IR. Tecnica SPR (Surface Plasmon Resonance) Sensori Definizione; strategie di ottimizzazione: modifica della superficie con metodi chimici e fisici; natura dei modificatori: chimici e biologici (biosensori) esempi; Trasduttori definizione, funzionamento, principio della misura e classificazione dei sensori; Vengono approfonditi nel dettaglio costruttivo e di funzionamento i seguenti sensori: a fibra ottica, termoelettrici, piezoelettrici, potenziometrici iono-selettivi, iono-selettivi a cristallo solido, a membrana liquida, compositi, amperometrici (tecniche di misura presentate amperometria e voltammetria lineare o ciclica), biosensori enzimatici ed immunosensori. Tutti i sensori proposti vengono corredati con esempi di applicazioni di interesse biotecnologico evidenziando il tipo di informazione (qualitativa, quantitativa) che il loro uso consente di ottenere. |
ATTIVITÀ DI APPRENDIMENTO E METODI DIDATTICI PREVISTI |
L’insegnamento prevede: Lezioni frontali Esercitazioni di laboratorio Relazioni scritte delle esercitazioni Uso di materiale disponibile on-line |
MODALITÀ DI VERIFICA DELL’APPRENDIMENTO |
L’esame consiste in: Prova scritta per Chimica Fisica Biologica: problemi teorici di termodinamica e spettroscopia Prova orale per Chimica Analitica: colloquio sulle tematiche proposte durante il corso |
TESTI/BIBLIOGRAFIA |
Costituiscono fonti di studio per l’esame: CHIMICA FISICA BIOLOGICA P.W. Atkins, J. De Paula- Elementi di Chimica Fisica– Zanichelli, Bologna - ISBN 978-8808-1-9285-1 A. Gambi – Esercizi di Chimica Fisica – Zanichelli, Bologna - ISBN: 9788808260789 CHIMICA ANALITICA G.D. Christian and J.E. O'Relley, Instrumental analysis, Allyn and Bacon, Boston, 1986. F.W. Fifield and D. Kealey, Chimica Analitica; Teoria e pratica, Zanichelli, Bologna, 1999. Eggins, Brian R., Chemical Sensors and Biosensors, Analytical Techniques in the Sciences, John Wiley & Sons, 2002. |
STRUMENTI A SUPPORTO DELLA DIDATTICA |
Materiali reperibili on-line su indicazione del docente Software gratuiti di rappresentazione molecolare, manipolazione ed analisi spettroscopica |
TESI DI LAUREA |
(facoltativo) |
Note |
(eventuali) |