Chimica

Struttura e polimorfismo delle più importanti macromolecole biologiche: proteine, acidi nucleici, complessi di associazione proteine-acidi nucleici, proteine/oligosaccaridi, proteine/lipidi (riepilogo). (2 ore) Principi della spettroscopia: interazione radiazione-materia (riepilogo) (2 ore). Spettroscopia elettronica di assorbimento - Bande elettroniche, separabilità σ e π. Fenomeno di exiton splitting in biopolimeri. Spettri elettronici di proteine e acidi nucleici. Ipocromismo in DNA: stima della temperatura di melting, di ∆H e ∆S di DNA in diverse condizioni sperimentali. (3 ore) Spettroscopia vibrazionale - Modi normali di vibrazione, gruppi funzionali (riepilogo). Spettri vibrazionali delle basi azotate degli acidi nucleici, effetto del legame idrogeno e determinazione dell’associazione di tipo Watson e Crick fra le basi azotate. Studio della struttura secondaria in proteine e peptidi: bande vibrazionali di ammide-I e ammide II. Analisi degli spettri vibrazionali di proteine per la stima della struttura secondaria. (3 ore) Spettroscopia di dicroismo circolare - Attività ottica. Origini fisiche del dicroismo circolare. Radiazione circolarmente polarizzata. Descrizione della strumentazione. Ellitticità e dispersione ottica rotatoria. Forza rotazionale. Calcolo del dicroismo circolare di un dimero (exciton splitting). Spettri conservativi. Il dicroismo circolare nelle proteine e negli acidi nucleici. Calcoli semiempirici per la simulazione di spettri di proteine. Studio del dicroismo circolare di strutture quadruplex degli acidi nucleici. Studio dell’interazione di ligandi del solco minore e intercalanti con DNA mediante spettroscopia di dicroismo circolare. (12 ore) Spettroscopia di fluorescenza - Stato elettronico fondamentale, stati di singoletto e di tripletto. Emissione per fluorescenza e per fosforescenza. Tempo di vita dello stato eccitato. Bande vibroniche e di fluorescenza. Descrizione della strumentazione. Fluorofori in proteine e acidi nucleici. Sonde fluorescenti. Effetto del solvente. Decadimento di fluorescenza, resa quantica di fluorescenza. Fenomeno FRET (fluorescence resonance energy transfer). Polarizzazione lineare di fluorescenza e anisotropia di fluorescenza. Fluorescenza di proteine e struttura terziaria. Spettroscopia di fluorescenza per studiare l’aggregazione di proteine. Determinazione delle strutture secondarie β in proteine amiloidi mediante il saggio della tioflavina T. Interazione fra DNA in doppia elica e ligandi del solco minore e intercalanti studiata mediante spettroscopia di fluorescenza. (12 ore) Spettroscopia di risonanza magnetica nucleare - Definizione e proprietà del momento lineare e del momento angolare in fisica classica e in quanto-meccanica. Spin dell'elettrone, spin del protone e spin del neutrone. Definizione e proprietà del momento magnetico in fisica classica e in quanto-meccanica. Differenze e analogie tra momento angolare e momento magnetico in fisica classica e quanto-meccanica. Rapporto giromagnetico. Comportamento di un nucleo in un campo magnetico: approccio in termini di fisica classica. Fenomeno della precessione. Equazione di Larmor. Fenomeno della risonanza. Condizioni di risonanza. Proprietà di insiemi di nuclei. Magnetizzazione macroscopica. Equazioni fenomenologiche di Bloch. Fattore di saturazione. Il sistema dei nuclei e l'intorno. Coordinate rotanti. Suscettivita' magnetica. Fattore di schermaggio. Equazione di Lamb. Equazione di Ramsey. Schermaggio diamagnetico e schermaggio paramagnetico. Strumentazione NMR. Definizione di risoluzione. Metodo ad onda continua, metodo ad impulsi. Elaborazione del segnale: metodo della trasformata di Fourier (FT). Forma delle bande nei liquidi e nei solidi. Definizione di rapporto segnale-rumore. Teoremi e proprietà della FT. Incremento del rapporto segnale/rumore e della risoluzione. Parametri NMR. Chemical shift: campi generati dagli elettroni intorno ai nuclei. Fattore di schermaggio. Effetti di schermaggio e deschermaggio. Definizione di parti per milione (ppm). Sostanze di riferimento di chemical shift in acqua e in solventi organici. Dipendenza del chemical shift dalla natura dei sostituenti. Effetto di anisotropia del chemical shift. Chemical shift e legame idrogeno. Scala di chemical shift. Dipendenza del chemical shift da solvente, concentrazione, pH, forza ionica. Costante di accoppiamento: origini dell’accoppiamento spin-spin, modalità di trasmissione dell’accoppiamento, tipologie di accoppiamento omo- ed eteronucleari. Dipendenza da parametri strutturali. Equazione di Karplus. Applicazione a diverse classi di composti. Sistemi di spin del I° ordine e di ordine superiore. Equivalenza chimica. Equivalenza magnetica. Tempi di rilassamento spin-reticolo e spin-spin. Sequenze per la misura dei tempi di rilassamento. Relazione dei tempi di rilassamento con la struttura molecolare. Tecniche di disaccoppiamento omo- ed eteronucleare. Effetto Nucleare Overhauser omonucleare ed eteronucleare. Spettroscopia NMR del C-13. Chemical shift, accoppiamento C-13 – H-1. Tecniche di disaccoppiamento. Trasferimento di polarizzazione. Sequenze SPT (selective population transfer): saturation e inversion. Tecniche INEPT e DEPT per la determinazione della molteplicità del carbonio e incremento di sensibilità. Spettroscopia NMR bidimensionale omo- ed eteronucleare. Struttura di una sequenza ad impulsi bidimensionale. Spettroscopia bidimensionale di correlazione. Spettroscopia bidimensionale di correlazione omonucleare COSY, TOCSY. Spettroscopia 2D eteronucleare. Correlazioni attraverso lo spazio: spettroscopia 2D NOESY e ROESY: teoria e applicazioni. Applicazioni della spettroscopia NMR ai sistemi biologici: studio dell’accoppiamento di stacking fra nucleobasi del DNA, determinazione della struttura di acidi nucleici, proteine, peptidi in soluzione. (32 ore)

Conoscenza dei principi di base del magnetismo, dei concetti fondamentali della quanto-meccanica, dei principi della spettroscopia (interazione della radiazione elettromagnetica con la materia: teoria delle perturbazioni dipendente dal tempo, teoria dei processi di emission e di assorbimento, coefficient di Einstein). Inoltre, lo studente deve conoscere composizione e struttura delle principali macromolecole biologiche.

1.Principles of Physical Biochemistry – Kensal E. van Holde, W. Curtis Johnson, P. Shing Ho, Seconda Edizione, Prentice Hall (disponibile presso la Biblioteca G. Illuminati del Dipartimento di Chimica) 2. H. Friebolin: Basic one- and two-dimensional NMR spectroscopy, V edizione, Wiley VCH 3. Principles of Fluorescence Spectroscopy J. R. Lakowicz 3rd, 2006, Springer 4. Materiale proiettato a lezione e dispense

Il corso è tenuto in modo tradizionale in aula. Si sviluppa in settantadue ore frontali dedicate alla trattazione dei principi teorici delle spettroscopie e le metodologie di indagine dei sistemi biologici. Verranno presentati numerosi esempi di applicazioni delle spettroscopie a proteine, acidi nucleici, complessi di associazione acidi nucleici-proteine, macromolecole biologiche-ligandi.

La frequenza delle lezioni non è obbligatoria ma è fortemente consigliata

La valutazione avverrà attraverso una prova orale in cui lo studente dovrà discutere i principi delle tecniche spettroscopiche in programma e le metodologie di applicazione ai sistemi biologici. Verrà valutata la capacità di analisi, di sintesi e chiarezza di espressione dello studente. Verranno discussi sistemi semplici, ma significativi, per valutare la capacità dello studente di inquadrarli nel giusto contesto e di scegliere le corrette metodologie di studio.

Per approfondimenti: Biophysical Chemistry, secondo volume: Techniques for the Study of Biological Structure and Function; H. Friebolin: Basic one- and two-dimensional NMR spectroscopy, V edizione, Wiley VCH K. Wüthich: NMR of proteins and nucleic acids, John Wiley and Sons, Inc. Alcuni articoli pubblicati su riviste internazionali che verranno discussi durante le lezioni

Il corso è tenuto in modo tradizionale in aula. Si sviluppa in settantadue ore frontali dedicate alla trattazione dei principi teorici delle spettroscopie e le metodologie di indagine dei sistemi biologici. Verranno presentati numerosi esempi di applicazioni delle spettroscopie a proteine, acidi nucleici, complessi di associazione acidi nucleici-proteine, macromolecole biologiche-ligandi.

Struttura e polimorfismo delle più importanti macromolecole biologiche: proteine, acidi nucleici, complessi di associazione proteine-acidi nucleici, proteine/oligosaccaridi, proteine/lipidi (riepilogo). Principi della spettroscopia: interazione radiazione-materia (riepilogo). Spettroscopia elettronica di assorbimento - Bande elettroniche, separabilità σ e π. Fenomeno di exiton splitting in biopolimeri. Spettri elettronici di proteine e acidi nucleici. Ipocromismo in DNA: stima della temperatura di melting, di ∆H e ∆S di DNA in diverse condizioni sperimentali. Spettroscopia vibrazionale - Modi normali di vibrazione, gruppi funzionali (riepilogo). Spettri vibrazionali delle basi azotate degli acidi nucleici, effetto del legame idrogeno e determinazione dell’associazione di tipo Watson e Crick fra le basi azotate. Studio della struttura secondaria in proteine e peptidi: bande vibrazionali di ammide-I e ammide II. Analisi degli spettri vibrazionali di proteine per la stima della struttura secondaria. Spettroscopia di dicroismo circolare - Attività ottica. Origini fisiche del dicroismo circolare. Radiazione circolarmente polarizzata. Descrizione della strumentazione. Ellitticità e dispersione ottica rotatoria. Forza rotazionale. Calcolo del dicroismo circolare di un dimero (exciton splitting). Spettri conservativi. Il dicroismo circolare nelle proteine e negli acidi nucleici. Calcoli semiempirici per la simulazione di spettri di proteine. Studio del dicroismo circolare di strutture quadruplex degli acidi nucleici. Studio dell’interazione di ligandi del solco minore e intercalanti con DNA mediante spettroscopia di dicroismo circolare. Spettroscopia di fluorescenza - Stato elettronico fondamentale, stati di singoletto e di tripletto. Emissione per fluorescenza e per fosforescenza. Tempo di vita dello stato eccitato. Bande vibroniche e di fluorescenza. Descrizione della strumentazione. Fluorofori in proteine e acidi nucleici. Sonde fluorescenti. Effetto del solvente. Decadimento di fluorescenza, resa quantica di fluorescenza. Fenomeno FRET (fluorescence resonance energy transfer). Polarizzazione lineare di fluorescenza e anisotropia di fluorescenza. Fluorescenza di proteine e struttura terziaria. Spettroscopia di fluorescenza per studiare l’aggregazione di proteine. Determinazione delle strutture secondarie β in proteine amiloidi mediante il saggio della tioflavina T. Interazione fra DNA in doppia elica e ligandi del solco minore e intercalanti studiata mediante spettroscopia di fluorescenza. Spettroscopia di risonanza magnetica nucleare - Definizione e proprietà del momento lineare e del momento angolare in fisica classica e in quanto-meccanica. Spin dell'elettrone, spin del protone e spin del neutrone. Definizione e proprietà del momento magnetico in fisica classica e in quanto-meccanica. Differenze e analogie tra momento angolare e momento magnetico in fisica classica e quanto-meccanica. Rapporto giromagnetico. Comportamento di un nucleo in un campo magnetico: approccio in termini di fisica classica. Fenomeno della precessione. Equazione di Larmor. Fenomeno della risonanza. Condizioni di risonanza. Proprietà di insiemi di nuclei. Magnetizzazione macroscopica. Equazioni fenomenologiche di Bloch. Fattore di saturazione. Il sistema dei nuclei e l'intorno. Coordinate rotanti. Suscettivita' magnetica. Fattore di schermaggio. Equazione di Lamb. Equazione di Ramsey. Schermaggio diamagnetico e schermaggio paramagnetico. Strumentazione NMR. Definizione di risoluzione. Metodo ad onda continua, metodo ad impulsi. Elaborazione del segnale: metodo della trasformata di Fourier (FT). Forma delle bande nei liquidi e nei solidi. Definizione di rapporto segnale-rumore. Teoremi e proprietà della FT. Incremento del rapporto segnale/rumore e della risoluzione. Parametri NMR. Chemical shift: campi generati dagli elettroni intorno ai nuclei. Fattore di schermaggio. Effetti di schermaggio e deschermaggio. Definizione di parti per milione (ppm). Sostanze di riferimento di chemical shift in acqua e in solventi organici. Dipendenza del chemical shift dalla natura dei sostituenti. Effetto di anisotropia del chemical shift. Chemical shift e legame idrogeno. Scala di chemical shift. Dipendenza del chemical shift da solvente, concentrazione, pH, forza ionica. Costante di accoppiamento: origini dell’accoppiamento spin-spin, modalità di trasmissione dell’accoppiamento, tipologie di accoppiamento omo- ed eteronucleari. Dipendenza da parametri strutturali. Equazione di Karplus. Applicazione a diverse classi di composti. Sistemi di spin del I° ordine e di ordine superiore. Equivalenza chimica. Equivalenza magnetica. Tempi di rilassamento spin-reticolo e spin-spin. Sequenze per la misura dei tempi di rilassamento. Relazione dei tempi di rilassamento con la struttura molecolare. Tecniche di disaccoppiamento omo- ed eteronucleare. Effetto Nucleare Overhauser omonucleare ed eteronucleare. Spettroscopia NMR del C-13. Chemical shift, accoppiamento C-13 – H-1. Tecniche di disaccoppiamento. Trasferimento di polarizzazione. Sequenze SPT (selective population transfer): saturation e inversion. Tecniche INEPT e DEPT per la determinazione della molteplicità del carbonio e incremento di sensibilità. Spettroscopia NMR bidimensionale omo- ed eteronucleare. Struttura di una sequenza ad impulsi bidimensionale. Spettroscopia bidimensionale di correlazione. Spettroscopia bidimensionale di correlazione omonucleare COSY, TOCSY. Spettroscopia 2D eteronucleare. Metabolomica. Correlazioni attraverso lo spazio: spettroscopia 2D NOESY e ROESY: teoria e applicazioni. Applicazioni della spettroscopia NMR ai sistemi biologici: studio dell’accoppiamento di stacking fra nucleobasi del DNA, determinazione della struttura di acidi nucleici, proteine, peptidi in soluzione.

Conoscenza dei principi di base del magnetismo, dei concetti fondamentali della quanto-meccanica, dei principi della spettroscopia (interazione della radiazione elettromagnetica con la materia: teoria delle perturbazioni dipendente dal tempo, teoria dei processi di emission e di assorbimento, coefficient di Einstein). Inoltre, lo studente deve conoscere composizione e struttura delle principali macromolecole biologiche.

1.Principles of Physical Biochemistry – Kensal E. van Holde, W. Curtis Johnson, P. Shing Ho, Seconda Edizione, Prentice Hall (disponibile presso la Biblioteca G. Illuminati del Dipartimento di Chimica) 2. H. Friebolin: Basic one- and two-dimensional NMR spectroscopy, V edizione, Wiley VCH 3. Principles of Fluorescence Spectroscopy J. R. Lakowicz 3rd, 2006, Springer 4. Materiale proiettato a lezione e dispense

La frequenza non è obbligatoria ma vivamente consigliata.

La valutazione avverrà attraverso una prova orale in cui lo studente dovrà discutere i principi delle tecniche spettroscopiche in programma e le metodologie di applicazione ai sistemi biologici. Verrà valutata la capacità di analisi, di sintesi e chiarezza di espressione dello studente. Verranno discussi sistemi semplici, ma significativi, per valutare la capacità dello studente di inquadrarli nel giusto contesto e di scegliere le corrette metodologie di studio.

Per approfondimenti: Biophysical Chemistry, secondo volume: Techniques for the Study of Biological Structure and Function; H. Friebolin: Basic one- and two-dimensional NMR spectroscopy, V edizione, Wiley VCH K. Wüthich: NMR of proteins and nucleic acids, John Wiley and Sons, Inc. Alcuni articoli pubblicati su riviste internazionali che verranno discussi durante le lezioni

Il corso è tenuto in modo tradizionale in aula. Si sviluppa in settantadue ore frontali dedicate alla trattazione dei principi teorici delle spettroscopie e le metodologie di indagine dei sistemi biologici. Verranno presentati numerosi esempi di applicazioni delle spettroscopie a proteine, acidi nucleici, complessi di associazione acidi nucleici-proteine, macromolecole biologiche-ligandi.