Biofisica (9 crediti – 9x6+4 (visita lab) = 58h)
1. Struttura e funzione delle bio-molecole - Tozzini 6h
a. Acidi Nucleici
Struttura primaria, secondaria, terziaria, quaternaria
Tipi dei diversi acidi nucleici e loro funzioni
Cenni alla teoria della nascita ed evoluzione della vita
b. Proteine
Struttura primaria, secondaria, terziaria, quaternaria, folding
Funzione delle proteine e suddivisione in classi
c. Altre bio-molecole
Polisaccaridi, lipidi; ribosomi, nucleosomi, membrane cellulari
Testi: Cantor e Schimmel, Biophysical Chemistry Part I; Mattews, Van Holde, Ahern
Biochemistry
2. Microscopia ottica - Luin 4h
a. Cenni di ottica geometrica ed ondulatoria
b. Il microscopio ottico: elementi costitutivi; microscopi diritti ed invertiti, a
trasmissione ed a riflessione/epifluorescenza; risoluzione e contrasto.
c. Tecniche di contrasto in microscopia a campo largo.
Testi: "Microscopy from the very beginning", Dr. H. G. Kapitza, © Carl Zeiss Jena GmbH, 1997,
2nd revised edition, available on-line
3. Struttura della cellula – Il limite della vita – Tozzini 2h
a. Cellule eucariote e procariote
b. Struttura e funzione dei compartimenti cellulari
c. Struttura e funzione dei tessuti
d. Virus e altre strutture autoreplicanti
e. Definizione di proteomica e genomica
Testi: materiale fornito dal docente
4. Tecniche di spettroscopia strutturale per biomolecole - Tozzini - 4h
a. Spettroscopia a Raggi X
Teoria
Cenni alle tecniche di diffrazione di neutroni
Il database PDB
Manipolazione di strutture con VMD
b. NMR strutturale
Teoria
Manipolazione di modelli NMR
c. Crio-microscopia elettronica
Teoria
Il database di mappe elettroniche
Visualizzazione di mappe elettroniche
Testi: Cantor e Schimmel, Biophysical Chemistry Part II; articoli di rassegna forniti dal docente
5. Eccitazioni in biomolecole e spettroscopia - Luin 6h
a. Spettroscopia ottica e UV
Trattazione dei fenomeni di assorbimento ottico (UV-visibile-NIR) e della
fluorescenza
Teoria:Approssimazione di BO; teoria del funzionale di densità ed estensione
dipendente dal tempo
b. Tipi di marcatori fluorescenti
Esempi: amminoacidi aromatici e (G)FP: descrizione delle proprietà ottiche e
della fotofisica.
Fluorofori organici: generalità ed uso in microscopia a fluorescenza
Cenni sui Qdots.
Presentazione delle proteine GFP e loro uso in biologia molecolare
c. Spettroscopia a due fotoni
d. Spettroscopia vibrazionale
Teoria: accoppiamento tra stati elettronici e vibrazionali
Struttura vibrazionale degli spettri di assorbimento/emissione ottica
Spettroscopia IR
Spettroscopia Raman (normale, risonante, SERS)
Esempi: spettri dei cromofori GFP. Relazioni tra spettri vibrazionali e struttura
Testi: Cantor e Schimmel, Biophysical Chemistry Part II; articoli di rassegna forniti dal docente;
"Fluorescence Applications in Biotechnology and Life Sciences", Ewa M. Goldys ed. (2009),
John Wiley & Sons (Hoboken, NJ, USA); Masters e So Biomedical non-linear optical
spectroscopy.
6. Modellizzazione di biomolecole – Tozzini 12h
a. Concetti Generali
Gradi di libertà e coerenza tra diversi livelli di accuratezza
Campi di Forze – Superfici di energia libera e potenziali di forza media
Metodi di esplorazione dello spazio delle fasi
b. Metodi ab inizio
Metodo Car-Parrinello
c. Metodi all-atom basati sui Campi di Forze Empirici
Principali campi e loro caratteristiche
Metodi QM/MM
Esempi di applicazioni; la transizione cis-trans nelle GFP; reazione nel sito
attivo della proteasi di HIV-1
d. Modelli Coarse Grained
Modelli a rete
Modelli Go – aspetti generali del folding
Altri modelli per la dinamica generica. Esempi: il meccanismo di azione della
proteasi di HIV-1
e. Modelli mesoscala
f. Modelli “continui”
Definizione di superfici molecolari
Diversi modelli di solvente implicito (SAS, Born e Poisson-Boltzmann)
Modelli elettrostatici di membrana
Modelli continui per la diffusione di proteine, legge di Fick e sue estensioni.
g. Homology modeling, Protein Recognition and Docking, cenni a metodi di drug
design
Testi: Molecular and Cellular Biophysics, MB Jackson; Computational Biochemistry and
Biophysics, O M Becker, A D MacKerell Jr, B Roux e M Watanabe.
7. Tecniche di microscopia avanzate – Luin 8h
a. Microscopia confocale e a due fotoni
b. Microscopia TIRF
c. Convoluzione e deconvoluzione: cenni su tecniche di ricostruzione e rendering di
un’“immagine” 3D
d. Localizzazione, colocalizzazione, multicolor labeling
e. FRET e misura delle interazioni e transizioni conformazionali
f. (i)FRAP, FLIP, FLAP, PA, PC e altre tecniche - misura dei coefficienti di diffusione
g. FISH e microarray
h. FLIM e misure in ambiente cellulare
i. Superamento del limite di diffrazione: cenni su PALM, STORM, RESOLFT, STED
j. Fluorescence correlation spectroscopy (FCS)
k. Spettroscopia e tracking di singole molecole.
l. Cenni su nanoparticelle metalliche e nanorulers
m. Possibili discussioni di esperimenti reali che sfruttano alcune delle tecniche sopra
scritte (imaging avanzato di neuroni, movimenti di recettori di membrana,
interazioni di proteine nucleari).
Testi: - "Introduction to Confocal Fluorescence Microscopy", Michiel Müller, edited by SPIE press
(WA, USA), second edition (2006); articoli di rassegna forniti dal docente; "Fluorescence
Applications in Biotechnology and Life Sciences", Ewa M. Goldys ed. (2009), John Wiley & Sons
(Hoboken, NJ, USA); Masters e So Biomedical non-linear optical spectroscopy.
8. Equilibri di membrana e segnali elettrici - Tozzini 4h
a. Analisi statistica degli equilibri di membrana (Nerst, Donnan, Goldman–Hodgkin–
Katz)
b. Diversi tipi di curve caratteristiche tensione-corrente
c. Canali e pompe ioniche: tipologia e strutture
d. Propagazione del segnale elettrico nei neuroni: schematizzazione circuitale,
potenziali d’azione
Testi: MB Jackson Molecular and cellular biophysics; RMJ Cotterill, Biophysics, an introduction
9. Applicazioni di Nano-BioMedicina - Tozzini 8h
a. Lab-on-a-chip: miniaturizzazione delle funzioni; microfluidica
b. Differenziazione cellulare guidata
c. Nanodispositivi biomedici
Elementi costitutivi
Dispositivi per internalizzazione: dendrimeri, vettori peptidici, sequenze di
localizzazione cellulare
Biosensori di ambiente cellulare: Sensori (raziometrici) di pH, Calcio, Cloro.
Sensori di acetilazione, fosforilazione
Dispositivi per rilascio controllato di farmaci: matrici inorganiche, particelle
polimeriche, gabbie biomolecolari, liposomi
Dispositivi basati su acidi nucleici: Aptameri, Molecular Beacons,
Riboswitches e simili
Testi: materiale fornito dal docente
10. visita ai laboratori NEST della SNS – 4h.
