BIOFISICA
a.a. 2013-2014
Insegnamento: Biofisica
Docente: Maria Lepore
Settore Scientifico - Disciplinare: FIS/07
CFU
ORE
6
52
Obiettivi formativi; Il corso intende fornire le competenza di base per la comprensione di alcuni
processi fondamentali riguardanti la fisica della materia vivente: reazioni di ossido-riduzione e
cinetica enzimatica; legami chimici e interazioni tra proteine; livelli elettronici e spettroscopia
ottica; diffrazione dei raggi X e risonanza magnetica.
Propedeuticità: Corsi di fisica generale, matematica e chimica del primo e secondo anno della
laurea triennale in fisica
Modalità di svolgimento: lezioni., esercitazioni numeriche in aula ed esperienze dimostrative in
laboratorio
Modalità di accertamento del profitto: La verifica del livello di apprendimento consisterà in una
prova scritta (articolata in domande riguardanti gli argomenti trattati, esercizi numerici e problemi),
da effettuarsi alla fine del corso e in un colloquio orale.
PROGRAMMA
1. TERMODINAMICA E CINETICA
Competenze pregresse:
Le leggi dei gas. Definizione operativa della temperatura. La legge di Boyle. La legge di Charles e Gay-Lussac. La
legge di Avogadro. L’equazione del gas ideale. La legge di Dal ton delle pressioni parziali. I gas reali. La liquefazione
dei gas e lo stato critico.
La teoria cinetica dei gas. Il modello la pressione di un gas. L’energia cinetica e la temperatura. Le leggi di distribuzioni
di Maxwell. Le collisioni molecolari e il cammino libero medio. La viscosità dei gas. Le leggi di Graham per la
diffusione e l’effusione. L’equipartizione dell’energia.
La prima legge della termodinamica. Il lavoro e il calore. La prima legge della termodinamica. L’entalpia. L’espansione
dei gas. Le energie di legame ed entalpie di legame.
La seconda legge della termodinamica. I processi spontanei. L’entropia. La macchina termica di Carnet. La seconda
legge della termodinamica. La variazione di entropia. La terza legge della termodinamica.
Le energie di Gibbs e di Helmholtz. Le energie di Gibbs e di Helmholtz ed il loro significato. La dipendenza
dell’energia di Gibbs dalla temperatura e dalla pressione. L’energia di Gibbs ed equilibri di fase.
L’equilibrio chimico. L’equilibrio chimico nei sistemi gassosi. Le reazioni in soluzione. Gli equilibri eterogenei.
L’influenza della temperatura, della pressione e dei catalizzatori sulla costante di equilibrio. La bioenergetica.
La cinetica chimica. La velocità di reazione. L’ordine di reazione. L’effetto della temperatura sulla velocità di reazione.
Le teorie di velocità di reazione.
Argomenti d’esame
Reazioni di ossido-riduzione. Celle elettrochimiche. Equazione di Nernst. Potenziali di equilibrio. Energia di Gibbs di
formazione ed attività.
La cinetica enzimatica. I principi generali della catalisi. Le equazioni della cinetica enzimatica. Legge di
Michaelis-Menten. Equazione di Lineweaver-Burk. Attività dell’enzima. Gli effetti del pH sulla cinematica enzimatica.
2. MECCANICA QUANTISTICA E SPETTROSCOPIA
Competenze pregresse:
Meccanica quantistica. Radiazione di corpo nero. Effetto fotoelettrico. Spettri atomici. Principi della meccanica
quantistica. Dualismo onda-particella. Equazione di Schroedinger. Principio di indeterminazione di Heisenberg.
Oscillatore armonico Descrizione classica e quantistica. Soluzioni dell’equazione di Schroedinger.
Struttura atomica. Equazione di Schroedinger per l’atomo di idrogeno e proprietà delle soluzioni. Transizioni.
Descrizione delle molecole.
Argomenti d’esame
Legami chimici e interazione tra proteine. Legame peptidico. Effetti sterici. Legame idrogeno. Interazioni elettrostatica.
Effetti idrofobici. Struttura secondaria Struttura del DNA. Struttura della proteine. Sequenza di aminoacidi.
Livelli elettronici e spettroscopia ottica. La legge di Beer-Lambert. Coefficiente di assorbimento. Transizioni. Regole di
selezione. Il principio di Franck-Condon . Fluorescenza e fosforescenza. Diagramma di Jablonskii. Principi di
funzionamento di uno spettrofotometro e spettrofluorimetro.
Diffrazione dei raggi X. Legge di Bragg. Reticolo di Bravais.
Cristalli di proteine. Diffrazione da
cristalli.Determinazione di fase: sostituzione molecolare, sostituzione isomorfa, dispersione anomala. Elaborazione di
un modello. Misure sperimentali di diffrazione a raggi X. EXAFS
Risonanza magnetica. Shift chimico. Interazione spin-spin. Tecnica impulsata. NMR bidimensionale. Spettro NMR di
amino acidi. Struttura iperfine.
3. ASPETTI APPLICATIVI
Argomenti d’esame
Potenziali di membrana, trasporto e canali ionici. Struttura e funzioni della cellula. Potenziali di membrana. Diffusione
e trasporto attraverso le membrane. Canali ionici.
Imaging molecolare Imaging di cellule e tessuti Green Fluorescent Protein (GFP). Meccanismi di formazione dei
cromofori. Fluorescent resonance energy transfer (FRET). Imaging di GFP nelle cellule. Decadimenti radioattivi. PET.
