Chimica Fisica – Biotecnologie sanitarie
Lezione n. 1
−
−
−
−
−
−
Chimica fisica
MicroMicro-macro & descrizioni multiscala
Gli strumenti della chimica fisica
Esempio
Esempio 1: metodi spettroscopici – interazione radiazione / materia
Esempio 2: progettazione razionale dei farmaci
Esempio 3: folding delle proteine
Antonino Polimeno
1
Chimica fisica
-
-
La chimica è quella branca delle scienze naturali che si occupa dello studio, della
costituzione e delle proprietà della materia e delle sue trasformazioni (wikipedia!) a
livello atomico e molecolare
La chimica fisica è l’area della chimica che misura, interpreta e prevede le proprietà
della materia a livello atomico e molecolare impiegando gli strumenti della fisica e
della fisica-matematica
-
Termodinamica
Chimica quantistica
Meccanica statistica
Chimica computazionale
Dinamica molecolare
Elettrochimica
Fotochimica
NMR, EPR
Chimica dello stato solido e delle superfici
Chimica delle interfasi
Chimica delle soluzioni e dei colloidi
Antonino Polimeno
2
XVII secolo
Robert Boyle (1627-1691)
Antonino Polimeno
3
XVIII secolo
Antoine Lavoisier (1743-1794)
Antonino Polimeno
4
XIX secolo
Stanislao Cannizzaro (1826–1910)
Antonino Polimeno
5
XX secolo
Linus Pauling (1901-1994)
Antonino Polimeno
6
XXI secolo
Antonino Polimeno
7
Previsione ab initio di proprietà molecolari ?
Blue Gene: 70.72 Teraflops (2004)
Antonino Polimeno
8
Micro-macro
Antonino Polimeno
9
Clorofilla A
LATEX
Antonino Polimeno
10
Chimica fisica: strumenti
-
-
Termodinamica & termochimica: la materia (o una sua parte, un sistema) è
descritta prescindendo dalla sua struttura molecolare
Meccanica statistica: la materia è descritta a livello molecolare / l’accento è sulla
descrizione di proprietà macroscopiche dedotte dalle proprietà di grandi (numero di
Avogadro) insiemi di molecole descritte a livello classico o quantistico
Meccanica quantistica: le molecole sono descritte a livello quantistico
Chimica computazionale: le varie proprietà della materia (molecole) sono calcolate
da modelli teorici
Dinamica molecolare e cinetica chimica: lo studio della variazione delle proprietà
molecolari nel tempo in assenza od in presenza di reazioni chimiche
Elettrochimica: studio delle reazioni che comportano scambio / sviluppo di energia
elettrica
Spettroscopie ottiche: studio dei fenomeni di interazion radiazione – materia
(UV/Visibile, IR etc.)
Spettroscopie magnetiche: studio dei fenomeni di interazione campi magnetici
– materia (e.g. NMR, EPR)
Chimica fisica dello stato solido
Chimica fisica delle soluzioni e dei colloidi
Chimica fisica delle interfasi
Antonino Polimeno
11
Esempio 1 – Metodi spettroscopici (UV/visibile)
Antonino Polimeno
12
Esempio 1 – Metodi spettroscopici (spettroscopie magnetiche)
Antonino Polimeno
13
Esempio n. 2 – Progettazione razionale dei farmaci
-
Metodi storico di individuazione di un farmaco:
-
-
La chimica fisica permette di combinare diverse
tecnologie per favorire una progettazione
razionale dei farmaci
-
-
test di sostanze su animali / cellule
Problema: grande numero di possibili sostanze
attive
Esempio: impiego di informazioni sulla struttura
tridimensionale di biomolecole (e.g. cristallografia a
raggi X, NMR) Æ structure-based drug design.
(dorzolamide1995; vedi Kubinyi H (1999).
"Chance favors the prepared mind--from
serendipity to rational drug design". J Recept
Signal Transduct Res 19 (1-4): 15-39 )
Determinazione di relazioni proprietà / struttura
con i metodi della chimica computazionale; es.
descrizione del sito attivo di enzimi
-
impiego di metodi della termochimica
meccanica statistica
meccanica quantistica
Dorzolamide:
Dorzolamide: agente antianti-glaucoma (CO2 Æ bicarbonato)
bicarbonato)
Antonino Polimeno
14
Esempio 3 – Folding delle proteine
-
-
-
-
Christian Anfinsen et al.(1960): ribonucleasi isolata dal pancreas bovino / 124
aminoacidi / elimina RNA danneggiato (lega l’RNA danneggiato in un sito attivo
mediante legami zolfo, dati da cisteine); i ponti disolfuro mantengono la struttura e la
funzione dell’enzima
La ribonucleasi viene denaturata da agenti chimici o dal calore, i ponti disolfuro si
rompono e la ribonucleasi diventa inattiva
Anfinsen dimostra che l’eliminazione degli agenti chimici o il raffreddamento riporta la
ribonucleasi ad uno stato attivo: la struttura secondaria determina le proprietà della
proteina (Nobel per la chimica del 1972).
Come fa la proteina a trovare la sua giusta conformazione / struttura ? Impossibile
per tentativi: per una proteina con 100 aminoacidi sono possibili 1030 conformazioni!
Se la proteina ‘provasse’ 100 miliardi di conformazioni al secondo, servirebbero 100
miliardi di anni per esplorarle tutte …
Metodi computazionali
-
ricerca delle conformazioni a minore energia
ricerca dei cammini di ripiegamento - folding pathways)
Antonino Polimeno
15
Esempio 3 – Folding delle proteine
Antonino Polimeno
16
