TEMI SCELTI DI BIOFISICA

Crediti: 
6
Sede: 
PARMA
Anno accademico di offerta: 
2018/2019
Settore scientifico disciplinare: 
FISICA APPLICATA (A BENI CULTURALI, AMBIENTALI, BIOLOGIA E MEDICINA) (FIS/07)
Semestre dell'insegnamento: 
Secondo Semestre
Lingua di insegnamento: 

ITALIANO

Obiettivi formativi

Conoscenza e capacità di comprensione, Knowledge and understanding
Al termine del corso ci si attende che lo studente sia in grado di:
- conoscere e comprendere le tematiche proprie della biofisica molecolare trattate nel corso
- ricordare e confrontare le principali caratteristiche delle tecniche sperimentali introdotte a lezione, sia di spettroscopia sia di microscopia
- spiegare il significato delle grandezze e dei concetti propri della fotofisica, della microscopia di fluorescenza e dei sistemi fotoattivabili
- esemplificare sistemi fisici e meccanismi molecolari a cui applicare le metodologie d’indagine
- comprendere nelle sue linee essenziali e riassumere il contenuto di articoli della letteratura più recente

Conoscenza e capacità di comprensione applicate, Applying knowledge and understanding
Al termine del corso ci si attende che lo studente sia in grado di:
- applicare le conoscenze acquisite per affrontare lo studio di un argomento di carattere biofisico
- svolgere semplici calcoli per definire le condizioni sperimentali di un esperimento di assorbimento e fluorescenza (per esempio: concentrazioni molari, diluizioni)
- elaborare lo schema generale di un modello meccanicistico che descriva un processo molecolare

Autonomia di giudizio, Making judgements
Al termine del corso ci si attende che lo studente sia in grado di:
- saper analizzare da un punto di vista quantitativo processi biofisici rilevanti sia a livello teorico sia sperimentale
- saper analizzare le proprietà strutturali e funzionali dei sistemi proteici
- saper valutare gli elementi essenziali per elaborare un modello meccanicistico che descriva un processo molecolare
- saper valutare con senso critico i limiti di validità dei modelli sviluppati, vantaggi/svantaggi delle metodologie sperimentali studiate, analogie e differenze tra sistemi fisici studiati

Abilità comunicative, Communication skills
Al termine del corso ci si attende che lo studente sia in grado di:
- saper comunicare idee-problemi-soluzioni su questioni di tematica biofisica in modo chiaro, sintetico ed efficace
- saper esplicitare le proprietà che definiscono struttura, dinamica e funzione dei sistemi proteici
- saper esplicitare le varie fasi di una misura di assorbimento e fluorescenza e della relativa analisi dei dati
- saper spiegare ai compagni di gruppo e al docente le varie questioni sperimentali affrontate durante le esercitazioni pratiche

Capacità di apprendere, Learning skills
Al termine del corso ci si attende che lo studente sia in grado di:
- collegare tra loro i diversi argomenti trattati nel corso e quelli affrontati in altri insegnamenti (per esempio in Fisica della Materia, Meccanica Quantistica, Chimica)
- approfondire le principali tematiche in campo biofisico trattate su pubblicazioni scientifiche citate ed elaborare soluzioni e metodologie alternative
- comprendere se la biofisica possa rappresentare un campo di ricerca e studio di proprio interesse

Prerequisiti

Conoscenze di base dell’analisi matematica, fisica e chimica

Contenuti dell'insegnamento

Il corso introduce in maniera qualitativa le moderne tecniche di analisi basate su metodi spettroscopici e di microscopia e sull’analisi numerica applicandole ad una selezione di argomenti di interesse corrente in Biofisica. Il corso mostra come le metodologie fisiche possano fornire strumenti fondamentali nella comprensione dei fenomeni biologici e come la Biofisica sia un’area della fisica altamente interdisciplinare ma diversa dalla biologia.
Il filo conduttore per tutti i contenuti del corso è rappresentato dall’interazione radiazione-materia e, quindi, un approccio di tipo foto-fisico all’individuazione dei meccanismi molecolari alla base di processi di rilevanza nel contesto cellulare. Il corso illustra così cosa rappresenti la moderna Biofisica molecolare, in particolare la bio-fotonica.

Si possono, quindi, individuare tre macro-argomenti per quanto riguarda le lezioni frontali, completati da una breve parte di esercitazione in laboratorio:
- Breve introduzione di contesto
- Interazione radiazione-materia
- La modellizzazione di processi biofisici

Esercitazioni (studenti suddivisi in piccoli gruppi) organizzate in:
Assorbimento e fluorescenza allo stato stazionario
Analisi dei dati

Programma esteso

1 Breve introduzione delle nozioni di base della biologia molecolare, quali la struttura e la funzione delle proteine, il folding proteico e la struttura della cellula.
2 Interazione radiazione-materia: principi base della fotofisica.
Assorbimento e Fluorescenza: dalla teoria (regola d’oro di Fermi, momento di dipolo di transizione, regole di selezione, transizioni radiative e non radiative) alle applicazioni per capire quali informazioni si possono trarre nello studio delle macromolecole biologiche.
La microscopia di fluorescenza: dalla microscopia confocale alla microscopia a super-risoluzione del Premio Nobel 2014 (spatially patterned excitation and single molecule imaging).
3 La modellizzazione di processi biofisici: metodi analitici e numerici
Modelli meccanicistici per definire la relazione tra struttura-dinamica-funzione nelle proteine: l’esempio delle globine per mostrare la complementarietà di un approccio sperimentale e computazionale
Modelli microscopici per caratterizzare la fotofisica di molecole fotottivabili, dalle proteine fotocromiche ai composti caged fotoattivabili

Esercitazioni (studenti suddivisi in piccoli gruppi) organizzate in:
Assorbimento e fluorescenza allo stato stazionario
Analisi dei dati

Bibliografia

diapositive delle lezioni messe a disposizione sulla piattaforma Elly
articoli segnalati da riviste internazionali
"Struttura e funzione delle proteine" G.A. Petsko, D. Ringe, Zanichelli;
"Biological Physics. Energy, Information, Life. Updated first edition" Philip Nelson, Palgrave Macmillan and WH Freeman ed.
"Principles of fluorescence spectroscopy" J. Lakowicz, Kluver Academic/Plenum Publishers

Metodi didattici

Lezioni frontali, impostate in modo da privilegiare il confronto con gli studenti. Vi saranno esercitazioni in laboratorio in cui gli studenti saranno tenuti ad applicare la teoria a un progetto di dimensioni molto ridotte proposto e sviluppato secondo i criteri metodologici illustrati nelle lezioni e nel materiale bibliografico e didattico.
Le slide utilizzate a supporto delle lezioni verranno caricate al più tardi alla fine della lezione sulla piattaforma Elly. Per scaricare le slide è necessaria l’iscrizione al corso on line.
Le slide vengono considerate parte integrante del materiale didattico. Si ricorda agli studenti non frequentanti di controllare il materiale didattico disponibile e le indicazioni fornite dalla docente tramite la piattaforma Elly.

Modalità verifica apprendimento

Viene svolta una valutazione formativa continua ma informale avviando discussioni durante le lezioni e le esercitazioni per verificare quanto siano state comprese le nozioni precedentemente spiegate.
La verifica sommativa dell’apprendimento può avvenire con due modalità :
modalità A
una prova scritta a risposte aperte in cui illustrare 3 argomenti a scelta in un elenco di temi proposti (10 punti a risposta). La durata della prova scritta e’ di 1.5 ore. La prova scritta è valutata con scala 0-30. La lode viene assegnata nel caso del raggiungimento del massimo punteggio su ogni item a cui si aggiunga la padronanza del lessico disciplinare.
Il voto della prova scritta viene comunicato nell’arco della settimana successiva alla prova, tramite Email. Si ricorda che l'iscrizione on line all'appello è OBBLIGATORIA.

modalità B
preparazione di un seminario (20 minuti) nel quale venga approfondito un argomento tra quelli affrontati nel corso, usando articoli di ricerca, (20 punti) e una conseguente discussione (10 punti).
La prova orale è valutata con scala 0-30. La lode viene assegnata nel caso del raggiungimento del massimo punteggio su ogni item a cui si aggiunga la padronanza del lessico disciplinare.
Il voto della prova orale viene comunicato immediatamente al termine della prova stessa. Si ricorda che l'iscrizione on line all'appello è OBBLIGATORIA.

Lo studente verrà valutato in base al raggiungimento degli obiettivi precedentemente specificati:

Al fine di verificare il raggiungimento di tali obiettivi, le domande della prova scritta (in modalità A) oppure orale (in modalità B) sono volte a valutare le conoscenze, la capacità di rielaborazione autonoma e originale di tali conoscenze, la capacità di applicare tali conoscenze e abilità acquisite, di collegarle e confrontarle tra loro e approfondirle tramite la letteratura di letteratura recente.
Viene assegnata una valutazione insufficiente in caso di mancato raggiungimento dei suddetti obiettivi, e in particolare dalla mancanza di una conoscenza dei contenuti minimi del corso; dall’incapacità di esprimersi con un lessico specifico appropriato, dall’incapacità di analizzare proprietà fondamentali di sistemi fisici di interesse e di formulare giudizi autonomi. Una valutazione pienamente sufficiente (18-23/30) è determinata dalla dimostrazione di avere appreso i contenuti minimi e fondamentali del corso; dalla capacità di esprimersi con un lessico specifico adeguato anche se semplice, da un livello sufficiente di preparazione autonoma, dalla capacità di analizzare almeno nei tratti essenziali le proprietà fondamentali di sistemi fisici di interesse e di formulare giudizi autonomi ad un livello sufficiente. Un punteggio medio viene formulato se lo studente dimostra di aver raggiunto gli obiettivi specifici di apprendimento sopra esplicitati in modo più che sufficiente (24-25/30) o buono (26-27/30), mentre i punteggi più alti (28-30/30 e lode) vengono assegnati per un livello da ottimo a eccellente.

Altre informazioni

Orario di ricevimento: venerdì dalle 12:30 alle 14:30 previo appuntamento (Email). E' ovviamente possibile prendere appuntamento anche per giorni diversi della settimana.