BIOFISICA CELLULARE
Anno accademico e docente
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- English course description
- Anno accademico
- 2021/2022
- Docente
- GIORGIO RISPOLI
- Crediti formativi
- 6
- Percorso
- Biologia molecolare e cellulare
- Periodo didattico
- Primo Semestre
- SSD
- BIO/09
Obiettivi formativi
- La biofisica è una scienza ad alto contenuto interdisciplinare poiché studia i sistemi biologici a qualsiasi livello di organizzazione (da quello molecolare fino agli organismi e agli ecosistemi) utilizzando principalmente gli approcci e i metodi tipici della fisica. La biofisica si prefigge quindi l’ambizioso obiettivo di descrivere gli straordinariamente complessi fenomeni viventi con leggi le più semplici possibili, come lo sono le leggi fisiche. Purtroppo, non tutti i fenomeni della vita sono ancora descrivibili in questi termini, ma per quelli che lo sono, nessun’altra scienza come la biofisica è in grado di comprenderli in modo altrettanto profondo e completo. Questa comprensione è tale da fare predizioni sul comportamento di questi fenomeni in condizioni “normali” e “patologiche”, e così consente, per esempio, di sviluppare nuove tecnologie biomimetiche e terapie mirate.
Questo corso si prefigge di far comprendere agli studenti alcune problematiche avanzate della Biofisica e le metodologie sperimentali più recenti per affrontarle, quindi alcuni contenuti del corso sono via via aggiornati sulla base delle scoperte più recenti. Poiché il sistema nervoso è l’oggetto più complesso (e per me il più affascinante) dell’universo, il corso è incentrato sul suo funzionamento e su come esso si “interfacci” con il resto del corpo e il mondo esterno. Il cervello è inoltre uno straordinario modello di studio, poiché le conoscenze acquisite in questo corso consentiranno allo studente di capire non solo i meccanismi alla base del funzionamento dei neuroni e delle loro connessioni, ma anche quelli di una moltitudine di altri sistemi cellulari che condividono questi meccanismi (o meccanismi similari) con essi. Lo studente sarà quindi continuamente stimolato a CAPIRE i meccanismi alla base dei sistemi biologici piuttosto che a mandare a memoria, per esempio, i nomi delle proteine che li compongono. Un altro obiettivo del corso è la comprensione dei principi di funzionamento delle strumentazioni utilizzate nei laboratori di biofisica più avanzati. Prerequisiti
- Sebbene non ci siano regole di propedeuticità, è utile che lo studente abbia le seguenti conoscenze di base, che saranno brevemente riprese nel corso:
Concetti fondamentali di fisica, in particolare quelli riguardanti l’elettromagnetismo;
Concetti fondamentali di chimica;
Analisi matematica e calcolo differenziale;
Biologia cellulare, con particolare attenzione a quella animale. Contenuti del corso
- NOTE INTRODUTTIVE (4 h)
Cos’è la Biofisica. Lo studio del sistema nervoso con la Biofisica. Il Cervello. Aree specializzate del cervello e interfacciamento con strumenti esterni (es. braccia robotiche e retine artificiali). Prestazioni dei sistemi nervosi “naturali” e “artificiali”. Gli ordini di grandezza. Il feedback e l’omeostasi.
STRUTTURE MOLECOLARI E LEGGI DI BASE (6 h)
Struttura dell’acqua. La solvatazione dei sali. Struttura molecolare di lipidi, proteine e acidi nucleici e loro sintesi “spontanea” in pianeti primordiali. Conduzione ionica ed elettronica. Conduttori e isolanti. La legge di Ohm, la resistività. Struttura delle proteine in membrana e in soluzione. Diagramma di idrofobicità. Il potenziale di Nernst e di GHK.
GENERAZIONE E PROPAGAZIONE DEI SEGNALI NERVOSI (6 h)
Canali ligando-, voltaggio-, meccano-, luce-, temperatura-dipendenti e selettività. Le canalopatie. Potenziali graduati e di azione, codifica in frequenza, trasmissione sinaptica. Sinapsi eccitatorie, inibitorie, ionotrope e metabotropiche. Cascate enzimatiche a proteine G. Integrazione spaziale e temporale dei segnali sinaptici. effetto di farmaci e droghe psicotrope.
I CANALI IONICI E LA REGISTRAZIONE DELLA LORO ATTIVITÀ ELETTRICA (7 h)
L’elettrodo AgCl e registrazioni intracellulari. Il voltage clamp. Correnti Na e K voltaggio dipendenti: gli anestetici locali. Il modello Hodgkin e Huxley. La propagazione saltatoria. Il patch-clamp. Eventi di singolo canale e confronto con le macrocorrenti.
L’IMAGING DI FLUORESCENZA (5 h)
Campi elettrici, magnetici ed elettromagnetici. Le onde sonore ed elettromagnetiche: frequenza, lunghezza d’onda, velocità di propagazione e ampiezza. Radiazione di sincrotrone. Fluorofori: assorbimento ed emissione. Imaging di fluorescenza del calcio.
RAPPORTO STRUTTURA/FUNZIONE DEI TRASPORTATORI DI MEMBRANA (6 h)
Struttura molecolare dei canali ligando- e voltaggio-dipendenti. Topologia 6TM, 4TM e 2TM. Struttura molecolare, trasporto ionico e selettività del canale KcSA. Espressione del cDNA o del mRNA di canali ionici ed acquaporine in ovociti. Uniporti, simporti ed antiporti. Specificità, saturazione e competizione. Diffusione facilitata. Modelli molecolari di trasporto: il flip-flop. Trasporti attivi primari: ABC-, F-, V-, A- e P-ATPasi. Rapporto struttura funzione delle V- e P-ATPasi. I trasportatori secondari: struttura molecolare LeuT, MFS, NhaA.
ESEMPI DI TRASDUZIONE SENSORIALE: VISIONE, UDITO, EQUILIBRIO, OLFATTO E GUSTO (8 h)
La percezione visiva. L’occhio, la retina, coni e bastoncelli. La cascata enzimatica della fototrasduzione e calcio-regolazione. Peptidi antibatterici e viroporine studiati con i bastoncelli. La meccanotrasduzione. Le cellule cigliate e la linea laterale di pesci e anfibi. L’orecchio interno: canali semicircolari, utricolo, sacculo, amplificazione meccanica e cochlea. La membrana basilare e l’analisi di Fourier. Cellule cigliate interne ed esterne. Tuning e adattamento operato dalle cellule cigliate esterne. I recettori olfattivi e vomeronasali. I glomeruli ed il bulb olfattivo. La codifica della percezione degli odori. La cascata enzimatica della trasduzione olfattiva. Papille e bottoni gustativi. Il meccanismo della trasduzione dell'amaro, del dolce, del salato e dell'acido.
REGISTRAZIONE DELL’ATTIVITÀ NEURONALE DI MASSA E TECNICHE BIOFISICHE AVANZATE (6 h)
Il segnale e i trasduttori. Registrazione dei segnali analogici. Il teorema del campionamento. Quantizzazione. Codifica binaria dei segnali digitizzati. Bit rate. La conversione digitale-analogica. Registrazione dell’attività elettrica di massa di neuroni transfettati con dyes sensibili al calcio o con i voltage sensitive dyes. Microscopia “Light Sheet”. Imaging tissutale statica e dinamica: PET, fPET, TAC, NMR e fNMR; risoluzione spaziale e temporale e mezzi di contrasto. Microscopia a super-risoluzione: deterministica (STED e RESOLFT) e stocastica (PALM). Metodi didattici
- Il corso è strutturato in 48 ore di lezione complessive (6 CFU). Le lezioni sono impartite settimanalmente in aula e l’esposizione avviene mediante l’utilizzo di diapositive in Power Point, simulazioni matematiche al computer, filmati e animazioni digitali. Tutte le dimostrazioni matematiche sono effettuate con l’ausilio di una tablet connesso al proiettore dell’aula (lavagna virtuale) e le formule sono poi illustrate con grafici e simulazioni in ambiente Mathcad. Le dimostrazioni e gli schizzi sulla lavagna virtuale sono infine salvate in files che sono via via caricati, insieme a tutto il materiale informatico e alle videoregistrazioni delle lezioni, sulla piattaforma didattica del servizio FAD (Frequenza A Distanza: http://icdl.unife.it/did/). Alcuni strumenti e corredi ottici sono mostrati in aula per essere maneggiati dagli studenti; alla fine di ogni lezione sono comunicate le domande di esame inerenti agli argomenti appena spiegati. Le ultime 4 ore del corso sono dedicate al ripasso degli argomenti principali del programma.
Modalità di verifica dell'apprendimento
- L'obiettivo della prova d’esame è verificare a quale grado lo studente ha raggiunto gli obiettivi formativi sopra indicati. La valutazione è espressa in trentesimi (voto minimo: 18). L’esame consiste in un elaborato scritto (o, a scelta dello studente, in un’interrogazione orale) in risposta a 6 domande scelte a caso tra quelle proposte alla fine di ogni lezione. Le risposte alle domande sono giudicate sia per il contenuto sia per la forma italiana usata, il punteggio massimo è di 5 punti per ognuna. Se perdurerà l'emergenza Covid-19, l'esame sarà svolto online su piattaforma Google Meet Grid
Testi di riferimento
- Si seguirà il testo:
Fisiologia e biofisica delle cellule, a cura di V. Taglietti e C. Casella – Edises, 2015
la cui versione online sarà integrata con il materiale informatico sopra descritto. Alcune parti di questo testo saranno estese e altre parti condensate rispetto all’originale; la versione originale e quella modificata saranno a disposizione degli studenti se ne acquisteranno la versione cartacea.
Altri testi di consultazione:
Fisiologia - Molecole, cellule e sistemi - a cura di Egidio D'Angelo, Antonio Peres - Edi.Ermes, Milano - Volume I: Fisiologia molecolare e cellulare; Volume II: Funzioni d'organo e integrazione sistemica.
Bertil Hille – Ionic channels of excitable membranes – Third Edition - Sinauer
