BIOFISICA
a.a. 2016-2017
Insegnamento: Biofisica
Docente: Maria Lepore
Settore Scientifico - Disciplinare: FIS/07
CFU
ORE
6=5L+1E
52=40+12
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: Chimica Generale e Inorganica, Fisica Generale II
Modalità di svolgimento: l 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.
Legenda: L= Lezioni, E= Esercitazioni, La= Attività di Laboratorio.
PROGRAMMA
1. TERMODINAMICA E CINETICA
Le leggi dei gas. Definizione operativa della temperatura. La legge di Boyle. La legge di Charles e GayLussac. 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 Carnot. La seconda legge della termodinamica. La
variazione di entropia. La terza legge della termodinamica.
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.
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
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.
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
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.
