Obiettivi Formativi

Fornire conoscenze sugli aspetti della fisica che sono legati allo studio ed alla interpretazione dei fenomeni biologici, nonché sulle teorie e metodi sperimentali avanzati per l’investigazione dei sistemi biologici dalla scala molecolare a quella degli ecosistemi. In particolare, sono fondamentali i seguenti argomenti: meccanismi di equilibrio fisico-chimico in membrane modello; processi di trasporto attraverso membrane biologiche; meccanismi di trasmissione e trasduzione dei segnali cellulari; processi di riconoscimento molecolare; cenni ad applicazioni nei campi della bio-nanomedicina e della bio-sensoristica.

Learning Goals

Provide knowledge on those aspects of physics that are related to the study and interpretation of biological phenomena, as well as on advanced theories and experimental methods for the investigation of biological systems from the molecular scale to ecosystems. In particular, the following topics are of fundamental importance: physical-chemical equilibrium mechanisms in model membranes; transport processes through biological membranes; mechanisms of transmission and transduction of cellular signals; molecular recognition processes; outline of applications in the fields of bio-nanomedicine and bio-sensors.

Metodi didattici

Il corso, al fine di raggiungere gli obiettivi formativi previsti, si svolge prevalentemente attraverso lezioni frontali. Sono inoltre previste Esercitazioni in laboratorio  con lo scopo di stimolare l’approccio ai problemi con autonomia e senso critico. Tutte le attività sono svolte con supporto  di slide delle lezioni.

Teaching Methods

The course, in order to achieve the expected objectives, mainly takes place through lectures. There are also practical based lessons in the laboratory, with the aim of stimulating the approach to problem solving with autonomy and a critical thinking. All activities are carried out with the support of lecture slides.

Prerequisiti

Concetti fondamentali di fisica, di chimica, di Analisi statistica e di meccanica quantistica.

Prerequisites

Fundamental concepts of physics, chemistry, statistical analysis and quantum mechanics.

Verifiche dell'apprendimento

L'esame consiste in una prova orale. La prova orale è incentrata sugli argomenti trattati durante il corso (definizioni, esempi rilevanti, applicazioni, collegamenti tra i vari argomenti.). Essa ha il duplice scopo di verificare il livello di conoscenza e di comprensione dei contenuti del corso e di valutare l'autonomia di giudizio, la capacità di apprendimento, l'abilità comunicativa e proprietà di linguaggio scientifico e indi valutare le facoltà  logico-deduttive  acquisite dallo studente. Il voto finale è espresso in trentesimi e tiene conto della valutazione ottenuta durante la prova orale.

Assessment

The exam consists of an oral test. The oral exam focuses on the topics covered during the course (definitions, relevant examples, applications, links between the various topics.). It has the dual purpose of verifying the level of knowledge and understanding of the course contents and to evaluate the autonomy of judgment, the learning ability, the communicative ability and properties of scientific language and then evaluate the logical-deductive faculties acquired by the student. The final grade is expressed out of thirty and takes into account the evaluation obtained during the oral exam.

Programma del Corso

PROCESSI CELLULARI FONDAMENTALI  Organizzazione cellulare e molecolare della materia vivente. Cellule, tessuti ed organi. Energia ed attività vitale. Scambi tra cellule ed ambiente. L’acqua nei sistemi biologici. Il concetto di omeostasi. BIOFISICA DELLA MEMBRANA Le membrane cellulari: Costituenti, struttura e dinamica. Il modello a mosaico fluido. Struttura e funzione di lipidi, proteine e carboidrati di membrana. Fenomeni di trasporto attraverso membrane. Trasporto passivo: la diffusione semplice e diffusione facilitata. Trasporto attivo primario e secondario. Struttura e funzione di canali e carrier. Trasporti mediati da vescicole. Distribuzione dell'acqua e dei soluti nell'organismo: equilibrio elettrico, chimico ed osmotico. Osmosi, canali dell’acqua. Potenziale di membrana. Potenziale di equilibrio e di diffusione. PROCESSI DI RICONOSCIMENTO MOLECOLARE Cenni sulle interazioni deboli non-covalenti tra molecole. Cenni sui principali recettori naturali e di sintesi impiegati nei processi di riconoscimento molecolare.Ruolo del pH, della forza ionica e del solvente sugli equilibri di riconoscimento molecolare. Determinazione delle specie complesse in soluzione e delle relative cosPtanti di equilibrio mediante le principali tecniche analitiche: spettroscopia di assorbimento, fluorescenza, NMR, tecniche elettrochimiche. Determinazione dell’energetica di reazione e delle forze guida alla base dei processi di riconoscimento/inclusione molecolare. Interazioni attrattive, ruolo del solvente. Effetto idrofobico. Determinazione di K e ΔH di reazione mediante calorimetria isoterma di titolazione. Elaborazione dei dati calorimetrici e determinazione di parametri termodinamici. TRASDUZIONE DEL SEGNALE Concetti fondamentali relativi alla trasduzione del segnale cellulare. Entrate e uscite dei segnali. Classi di componenti delle vie di trasduzione del segnale: proteine di tipo G, chinasi, fosfatasi, proteine adattatrici, elementi del citoscheletro. Organizzazione in reti delle vie di trasduzione del segnale. Classi di interconnessione: giunzioni e nodi. Esempi di disordini e malattie dell'uomo riconducibili a difetti nel controllo traduzionale. APPLICAZIONI Cenni su applicazioni delle metodiche di drug delivery con particolare attenzione ai meccanismi di attraversamento delle barriere cellulari. Cenni sui biosensori.

Course Syllabus

BASIC CELL PROCESSES  Cellular and molecular organization of living matter. Cells, tissues and organs. Energy and vital activity. Exchanges between cells and the environment. Water in biological systems. The concept of homeostasis. MEMBRANE BIOPHYSICS Cell membranes: constituents, structure and dynamics. The fluid mosaic model. Structure and function of lipids, proteins and membrane carbohydrates. Transport phenomena through membranes. Passive transport: simple diffusion and facilitated diffusion. Active primary and secondary transport. Structure and function of channels and carriers. Transport mediated by vesicles. Distribution of water and solutes in the organism: electrical, chemical and osmotic balance. Osmosis, water channels. Membrane potential. Equilibrium and diffusion potential. MOLECULAR RECOGNITION PROCESSES  Notes on weak non-covalent interactions between molecules. Notes on the main natural and synthetic receptors used in molecular recognition processes. Role of pH, ionic strength and solvent on molecular recognition equilibria. Determination of complex species in solution and their equilibrium constants by the main analytical techniques: absorption spectroscopy, fluorescence, NMR, electrochemical techniques. Determination of the reaction energy and of the guiding forces underlying the molecular recognition / inclusion processes. Attractive interactions, role of the solvent. Hydrophobic effect. Determination of reaction K and ΔH by isothermal titration calorimetry. Processing of calorimetric data and determination of thermodynamic parameters. SIGNAL TRANSDUCTION Fundamental concepts related to cellular signal transduction. Signals in and out. Classes of components of the signal transduction pathways: type G proteins, kinases, phosphatases, adapter proteins, cytoskeleton elements. Networking of signal transduction pathways. Interconnection classes: junctions and nodes. Examples of human disorders and diseases attributable to defects in translation control. APPLICATIONS Notes on applications of drug delivery methods with particular attention to the cell membrane transport. Notes on biosensors. ​​​​​​​