http://people.roma2.infn.it/~morante/
“Celui qui ouvre une porte d'école, ferme une prison”
Victor Hugo
Biophysics is that branch of knowledge that
applies the principles of physics and chemistry
and the methods of mathematical analysis and
computer modeling to understand how biological
systems work
Biophysical Society
Di cosa si occupa la Biofisica?
Alcune delle domande importanti non ancora risposte:
• Come possono le proteine, polimeri lineari di 20 diversi amino acidi,
assumere la configurazione tridimensionale esatta (folding) che permette
loro di funzionare e di far funzionare l’organismo cui appartengono?
• Come può una singola molecola di doppia elica di DNA estremamente
lunga (3x109 basi nell’uomo) sciogliersi e dirigere la sintesi delle proteine
esattamente dove e quando viene richiesto?
• Come possono onde sonore, fotoni, odori, sapori ecc. venir trasformati in
impulsi elettrici che forniscono al cervello le informazioni necessarie
perchè l’organismo interagisca correttamente con il mondo esterno?
• Come riescono i muscoli a convertire in forza e movimento l’energia
chimica dall’idrolisi di una molecola come l’ ATP?
• Come riescono le membrane, impermeabili all’acqua,
trasportare
selettivamente molecole idrosolubili attraverso il loro ambiente nonpolare?
La Biofisica vuole rispondere a queste domande usando un approccio
eclettico
• Le molecole coinvolte nei processi biologici sono identificate usando
tecniche di analisi chimica e biochimica
• La loro struttura molecolare e l’interazione con altre molecole è
determinata con tecniche fisiche e chimiche
• La relazione struttura-funzione è studiata usando raffinate tecniche
sperimentali che sono oggi in grado di manipolare e monitorare anche
singole molecole
• I meccanismi molecolari sono descritti e simulati con l’utilizzo di modelli
fisico-matematici sempre più precisi
Laurea Magistrale Indirizzo di
XAS
Dal genoma:
… ACU UUC CGU AAC…
Alla sequenza proteica:
… THR PHE ARG ASN…
DNA
a
iment
...sper
amino
acidi
amino
acidi
ASN
ARG
PHE
THR
stato
unfolded
folding
intermedio
stato
nativo
Struttura e funzione della proteina
...teor
ici
li
I ANNO - I SEMESTRE
Meccanica Quantistica 2
Metodi Matematici della Fisica 2
Fisica Biologica 1*
Fisica Biologica 2
Lingue/Informatica/Stage
8 CF
8 CF
6 CF
6 CF
2 CF
* se non già sostenuto, altrimenti un corso dell'elenco 1
I ANNO - II SEMESTRE
Teoria dei Sistemi a Molti Corpi*
Laboratorio di Fisica Biologica
6CF
6CF
1 modulo a scelta tra quelli in elenco 1
2 moduli a scelta tra quelli in elenco 2, o a scelta dello
studente, purché di materia affine o integrativa#
* tenuto al primo semestre
Settore Scientifico-Disciplinare ≠ Fisica (es: Mat, Chim, Bio, Inf,
Ing)
#
II ANNO - I SEMESTRE
2 moduli a scelta tra quelli in elenco 1
1 modulo di Lingue o Informatica o Stage
Tesi: 12 CF
II ANNO - II SEMESTRE
1 modulo a scelta libera dello studente*
*si suggerisce la scelta tra quelli degli elenchi 2 o 1 oppure un corso
specialistico di altri curricula della LS in Fisica
Tesi: 24 crediti
ELENCO 1 (programmi)
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Complementi Meccanica Statistica
Fisica dei Sistemi Complessi
Fisica dei Solidi 1
Fisica dei Solidi 2
Fisica e Spettroscopia dei
Sistemi Disordinati
Fisica Medica
Lab. Metodi Computazionali 1
Meccanica Statistica 2
Misure ed Analisi dei Segnali
Bioelettrici
Modelli Matematici per i Biosistemi
Radiazioni non ionizzanti
Spettroscopia
Teoria Quantistica della Materia
Teoria dei Solidi
Termodinamica dei Processi
Irreversibili
ELENCO 2
•Astrobiologia (2 crediti)
•Biochimica
•Biofisica Molecolare
•Bioinformatica
•Biologia Molecolare
•Chimica Biologica 2
•Chimica Fisica 1 e Laboratorio
•Complementi di Chimica-Fisica
Biologica
•Genetica
•Modelli Matematici per i Biosistemi
•Proteine e metabolismo
•
:
Fisica Biologica 1
•Definizione di sistema vivente: complessità e sistema vivente
•L’evoluzione: l’origine del sistema solare; l’evoluzione della Terra; la
protocellula di Oparin; ...
•La cellula: procarioti ed eucarioti
•Gli acidi nucleici: duplicazione; trascrizione; traduzione
•Contenuto informativo del genoma: il problema di Hamilton e il DNA
computing; legge di Zipf e invarianti di scala; entropia relativa e
similarità tra sequenze
•Le proteine: sequenza aminocaidica; gli amino acidi; ...
•Metodi matematici per l’analisi delle sequenze: processi di
Markov;Teorema di Bayes nel continuo; pressione selettiva e abbondanza
o rarità di oligonucleotidi; il modello di Eigen; ...
Prof. S. Morante [email protected]
tel. 0672594554
I semestre: 1-10-2010
Aula 19
Accoppiamento sessuale in E.coli.
Fisica Biologica 2
•Sequenze proteiche: allineamento e programmazione dinamica
•Il sistema immunitario: mimesi molecolare e malattie autoimmuni
•Evoluzione e costanti biologiche: 4 basi; 20 a.a.; a.a. levogiri; α-a.a.; ...
•La struttura secondaria: α-elica e β-foglietto; idropaticità e ∆G di
trasferimento; profili di idropaticità e anfifilicità; modello di Kauzmann
•La struttura terziaria: Forze che guidano il folding
•Le membrane biologiche: lipidi; micelle; Langmuir-Blodgett; lipid rafts
•Le proteine di membrana
•Tecniche spettroscopiche in biologia: limiti e potenzialità
•Richiami di meccanica quantistica: teoria delle perturbazioni e sezioni d’urto
•Spettroscopia di assorbimento ai raggi X: apparato sperimentale ; analisi del
segnale ed estrazione dei dati strutturali
Prof. S. Morante [email protected]
tel. 0672594554
I/II semestre
Aula 19
Teoria dei Sistemi a Molti Corpi
•Elementi di Meccanica Statistica (MS): nozione di ensemble; ensemble
micro-canonico; gas ideale; teorema di equipartizione dell'energia; ensemble
canonico: equivalenza fra ensembles; ensemble gran-canonico; MS quantistica
•Sistemi fermionici: l'approssimazione di Born-Oppenheimer; il gas di Fermi; il
metodo di Hartree-Fock; la teoria del funzionale densità
•Dinamica Molecolare: sistemi classici; sistemi quantistici; Car-Parrinello.
•Integrale Funzionale: l'integrale funzionale in Meccanica Quantistica; il
nucleo di evoluzione; funzioni di correlazione; l'integrale funzionale in Teoria
dei Campi; passaggio dalla metrica Minkowskiana a quella Euclidea; il legame
con la MS; le teorie di gauge e la QCD su reticolo
•Metodi per il calcolo della funzione di partizione: Il metodo di Monte Carlo
(MC); il principio del bilancio dettagliato; il moto browniano e l'equazione di
Langevin; l'equazione di Fokker-Planck; MC ibrido; il MC multicanonico; MC
quantico; il problema del segno.
Prof. G.C. Rossi [email protected]
tel. 0672594571
I semestre (13-10-2009)
Aula da definire
Laboratorio di Fisica Biologica
•Tecniche di sequenziamento delle proteine
•Bioinformatica
•Spettroscopia UV-Vis
•Attivita’ Ottica (CD, ORD)
•Spettroscopia di Fluorescenza
•Spettroscopia InfraRossa (IR, FTIR)
•Spettroscopia Raman e Raman Risonante
•EPR ed NMR
•XAS Æ analisi dati
•Diffrazione Raggi X Æ Cristallografia
•Dinamica molecolare
ESRF
Esperienze di Laboratorio di : UV-Vis, CD, Fluorescenza, analisi dati XAS,
Dinamica Molecolare, Bioinformatica.
processore
Dr. V. Minicozzi [email protected]
tel. 0672594554
II semestre
Fisica Medica
• Differenze fra indagine anatomica e funzionale (.. Mente e Cervello ..)
• Il tempo: la dimensione in più nell’indagine funzionale
•Tecniche
non
invasive
per
l'osservazione
della
attività
cerebrale:Tomografia Assiale Computerizzata {TC (CT) }; Tomografia ad
Emissone di Positroni {TEP (PET)}; Risonanza Magnetica Nucleare (NMR);
ElettroEncefaloGrafia {EEG}; MagnetoEncefaloGrafia {MEG}; Esempi e
paragoni fra le misure con i diversi sistemi.
•I segnali elettrofisiologici (EEG & MEG): generazione e tecniche di misura
•L'analisi dei segnali cerebrali; ‘Mappe’ cerebrali e loro dinamica; La
possibile localizzazione delle attività primarie; Esempi: L’homunculus
sensoriale e motorio; La plasticità cerebrale; Recenti avanzamenti nella
comprensione di processi cerebrali; Attività nelle aree sensoriali; Ritmi
cerebrali.
Verranno inoltre forniti agli studenti dati
elettrofisiologici da analizzare e sui quali
svolgere una relazione che costituirà parte
fondamentale dell'esame.
Prof. L. Narici [email protected]
tel. 0672594519
semestre (da concordare con gli interessati)
Misure ed Analisi di Segnali Bioelettrici
• Elementi di analisi dei segnali e statistica : campionamento; analisi di Fourier
(AF) di serie temporali continue e discrete; FT e risposta in frequenza; funzione
di autocorrelazione e spettro di potenza; segnali non stazionari; trasformata
wavelet; Matching Pursuit; analisi statistica; probabilita’ soggettiva; teorema di
Bayes; test di ipotesi, sensibilità e specificità, errori di tipo I e II
•Misura di segnali biologici: Trasduttori (temperatura e spostamento), elettrodi,
magnetometri, gradiometri; rumore; interferenza; amplificatori bioelettrici
•Risposta evocata da stimoli: risposta lineare ed evocata; stimoli transienti e
continui, rumore; tecniche di averaging e SNR
•Elettrofisiologia: Il sistema nervoso; il neurone; potenziali transmembrana;
potenziali d’azione neurali e muscolari e loro misura; EEG; Elettromiografia; ECG
•Il sistema uditivo: orecchio esterno, medio e interno; mappa tonotopica;
amplificazione attiva non lineare; modelli a oscillatori attivi non lineari; modelli
cocleari a linea di trasmissione; tecniche
psicoacustiche, audiometria, curve di tuning;
tecniche
obiettive:timpanometria;
emissioni
otoacustiche e danno uditivo
otoacoustic emission measurements
Dr. A. Moleti [email protected]
tel. 0672594517
semestre (da concordare con gli interessati)
Modelli Matematici per i Biosistemi
•Richiami su equazioni differenziali ordinarie, linearizzazione e stabilità
•Studio qualitativo ed analisi numerica di sistemi con pochi gradi di libertà, con
applicazione principalmente a modelli di dinamica delle popolazioni: modelli
unidimensionali, modello di Lokta-Volterra e sue variazioni, modello di Harrison
•Dipendenza dai parametri e cenni sulla teoria della biforcazione (biforcazione
di Hopf)
•Passeggiate aleatorie e diffusione lineare. Sistemi di Reazione-diffusione:
fondamenti e modellizzazione. Formazione di strutture spaziali: instabilità di
Turing. Soluzioni di tipo onda viaggiante, l'equazione KPP-Fisher.
•Generalità sulla teoria dei grafi e sulle sue applicazioni allo studio dei sistemi
complessi
•Analisi teorica e numerica del modello di Erdós-Rényi
•Modelli di Watts-Strogatz e di Barabasi-Albert
Prof. L. Triolo [email protected]
tel. 0672594635
II semestre
Two-dimensional reaction-diffusion
Turing patterns obtained by numerically
integrating the Brusselator model
Radiazioni non Ionizzanti
Il corso verte sull’interazione della radiazione non ionizzante con i sistemi
biologici
Vengono analizzate le evidenze sperimentali ed epidemiologiche e presentate
le normative.
Fa parte integrante del corso una misura in laboratorio per la ricerca di
effetti mutageni in cellule vegetali esposte a campo magnetico alternato.
Prof. G.Carboni [email protected]
tel. 0672594538
II semestre
http://people.roma2.infn.it/~carboni/campi-EM/
(cliccare a sinistra per il corso e il programma)
Termodinamica dei Processi Irreversibili
•Sistemi termodinamici all'equilibrio: richiami di termodinamica dell'equilibrio,
approccio di Carathéodory e di Gibbs, Le equazioni fondamentali, I e II legge
della termodinamica, relazioni di Maxwell e di Gibbs-Duhem, criteri di stabilità e
principi per l'equilibrio estremo.
•Sistemi termodinamici non all'equilibrio: a) fenomeni irreversibili lineari,
equilibrio locale, leggi di conservazione ed equazioni per il bilancio, formulazione
locale della seconda legge della termodinamica ed equazione per il bilancio
dell'entropia, equazioni fenomenologiche, relazioni di reciprocità di Onsager,
principio di Curie- Prigogine, stati stazionari di non equilibrio, fondamento
statistico e relazioni di reciprocità, risposta lineare e teorema di fluttuazione e
dissipazione; b) fenomeni irreversibili nonlineari, reazioni chimiche e fenomeni di
rilassamento, reazioni chimiche accoppiate, reazioni unimolecolari. principio del
bilancio dettagliato, equazione di Lotka-Volterra e reazioni oscillanti,
multistazionarietà ed insorgenza del caos.
Dr. G.Consolini
[email protected]
tel. 0672594564
II semestre
Roma Tor Vergata
Biophysics Group
http://biophys.roma2.infn.it/
Silvia Morante
Giancarlo Rossi
Velia Minicozzi
Francesco Stellato
http://people.roma2.infn.it/~carboni/campi-EM/
http://www.mat.uniroma2.it/~triolo/
http://sibpa.fbk.eu/
