Obiettivi Formativi

Fornire conoscenza e comprensione sulla biofisica cellulare illustrando come principi fisici alla base della meccanica, della termodinamica, della idrodina-mica e della cinetica influenzino il comportamento cel-lulare. In particolare, sono fondamentali i seguenti argomenti: struttura e funzionamento di una cellula. codice genetico e la sua funzione Applicazione dei metodi della teoria dell'elasticità allo studio di filamenti e membrane biologiche. Processi cellulari e della meccanica statistica (canali ionici, cinetica ligando-ricettore, variazione di conformazione delle proteine). Applicazione della teoria dell’idrodinamica nel contesto cellulare Processi dinamici e cinetici rilevanti per il funzionamento cellulare (polimerizzazione, diffusione e trasporto molecolare)

Learning Goals

Providing knowledge and understanding of cellular biophysics by illustrating how physical principles underlying mechanics, thermodynamics, hydrodynamics, and kinetics affect cellular behavior. In particular, the following topics are essential: • structure and functioning of a cell. • genetic code and its function • Application of elasticity theory methods to the study of biological filaments and membranes. • Cellular processes and statistical mechanics (ion channels, ligand-receptor kinetics, protein conformation variation). • Application of hydrodynamics theory in the cellular context • Dynamic and kinetic processes relevant to cellular functioning (polymerization, diffusion and molecular transport)

Metodi didattici

Il corso è organizzato lezioni teoriche e sperimentali. E' previsto l'utilizzo di materiale multimediale. Lo studente avrà a disposizione una serie di materiali didattici (video e slide, sia prodotti dal docente che reperiti online).

Teaching Methods

The course is based on heoretical and experimental lessons. The use of multimedia material is foreseen. The students will have at their disposal a series of teaching materials (videos and slides, both produced by the teacher and found online).

Prerequisiti

Conoscenze di base sulla chimica e la fisica classica .

Prerequisites

Basic knowledge on chemistry and on classical physics.

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

Proprietà chimico-fisiche delle biomolecole. L'ambiente acquoso. Interazioni fisiche che determinano le proprietà delle biomolecole. Conformazione delle biomacromolecole. Acidi nucleici e proteine. Folding e misfolding delle proteine. Gli enzimi e la catalisi enzimatica. Elementi costitutivi la struttura delle proteine. Motivi strutturali e domini strutturali nelle proteine. (10 ORE) Introduzione alla biofisica cellulare: Struttura, morfologia e organizzazione delle cellule. I lipidi nell'ambiente acquoso: la formazione delle membrane. L'organizzazione dei lipidi nelle membrane. Proprietà fisiche delle membrane. Transizioni di fase. Moti di membrana e mobilità di molecole all'interno della membrana. Fenomeni di interfaccia e forze che si sviluppano attraverso le membrane. Principi di biofisica dei trasporti di membrana e fondamenti di elettrofisiologia cellulare. Le proteine di membrana come interruttori e conduttori elettrici molecolari Metodi spettroscopici in biofisica: principi, strumentazione, applicazioni. Spettroscopia ottica. Fluorescenza. Dicroismo circolare e rotazione ottica. Diffrazione di raggi X. Risonanza magnetica nucleare. Metodi per lo studio della grandezza e della forma delle macromolecole. Sedimentazione. Elettroforesi. Misure di viscosità Metodi computazionali per lo studio della struttura e dinamica macromolecolare.

Course Syllabus

Physico-chemical properties of biomolecules. The aqueous environment. Physical interactions that determine the properties of biomolecules. Conformation of biomacromolecules. Nucleic acids and proteins. Protein folding and misfolding. Enzymes and enzymatic catalysis. Constitutive elements of the structure of proteins. Structural motifs and structural domains in proteins. Introduction to cell biophysics: Structure, morphology and organization of cells. Lipids in the aqueous environment: the formation of membranes. The organization of lipids in membranes. Physical properties of membranes. Phase transitions. Membrane motions and mobility of molecules within the membrane. Interface phenomena and forces that develop through the membranes. Principles of biophysics of membrane transport and fundamentals of cellular electrophysiology. Membrane proteins as molecular electrical switches and conductors Spectroscopic methods in biophysics: principles, instrumentation, applications. Optical spectroscopy. Fluorescence. Circular dichroism and optical rotation. X-ray diffraction Nuclear magnetic resonance. Methods for studying the size and shape of macromolecules. Sedimentation. Electrophoresis. Viscosity measurements Computational methods for the study of macromolecular structure and dynamics.