Corso di Laurea in Biotecnologie

C.I. METODI DI ANALISI STRUTTURALE

Methods for structural analysis of biomolecules

Anno accademico 2014/2015

Sommario insegnamento

• Obiettivi formativi
• Risultati dell'apprendimento attesi
• Modalità di verifica dell'apprendimento
• Programma
• Testi consigliati e bibliografia
• Note
• Strumenti didattici

Obiettivi formativi

Il corso è strutturato in due parti, al prima dedicata alla spettroscopia NMR ed alla diffrazione di raggi X, la seconda alla spettroscopia IR ed a quella elettronica (assorbimento ed emisisone).

La prima parte è finalizzata a fornire agli studenti le conoscenze necessarie per comprendere come viene determinata la struttura di biomolecule (principalmente proteine ed acidi nucleici) tramite metodi spettroscopici e diffrattometrici, saper individuare quale/i metodologia/e impiegare a seconda delle caratteristiche del sistema da studiare, ed interpretare in maniera critica la struttura tridimensionale.

Per la seconda parte:

Acquisizione e comprensione delle conoscenze relative a:
- natura delle interazioni radiazione elettromagnetica-materia che presiedono alle spettroscopie vibrazionale IR ed elettronica
- informazioni sulla struttura di biomolecole contenuta negli spettri IR e di spettroscopia elettronica di assorbimento e di emissione
- principali modalità di acquisizione di dati sperimentali per i tipi di spettroscopie citati

For the second part:

Attainment of a good level in knowledge and unserstanding of:
- nature of the interaction between the electromagnetic radiation and molecules at the basis of vibrational IR and electronic spectroscopies
- e contenuta negli spettri IR e di spettroscopia elettronica di assorbimento e di emissione
- main experimental methods for the collection of IR and electronic (both in the absortion and emision modes) spectra.

Risultati dell'apprendimento attesi

Per la seconda parte del corso:

Acquisizione delle capacità di:
- individuare le caratteristiche delle molecole che possono portare ad un loro assorbimento di energia dalla radiazione elettromagnetica per la promozione di transizioni vibrazionali ed elettroniche
- istituire correlazioni tra caratteristiche di dati di spettroscopia IR ed elettronica (assorbimento ed emissione) e struttura di biomolecole
- individuare le condizioni sperimentali più adatte per lo studio strutturale di biomolecole tramite spettroscopia IR ed elettronica (assorbimento ed emissione)
- redigere una relazione scientifica

For the second part of the course:

Attainment of the following capabilities:
- recognition of molecular features important for the energy transfer from the electromagnetic radiations to their vibrational and electronic states
- define correct correlation between the strucure of biomolecules and their IR and electronic (both in the absorption and emission modes) spectral features, and viceversa
-define the correct experimenatl methods and conditions for the collectiond of IR and electronic (both in the absorption and emission modes)spectra of biomolecules
- write a scientific report

Modalità di verifica dell'apprendimento

L'esame sulla parte di NMR si svolge in forma scritta.

L'esame sulla parte di spettroscopie IR ed elettronica si svolge in forma orale. Un puntosu 30 sarà riservato alla valutazione della relazione individuale sulle esperienze di laboratorio.

The examination on the NMR part is in written form.

The examination on the part dealing IR and electronic spectroscopies is in oral form. Onemarks on 30 will be reserved to the report (individual for each student)on the experiments performed in the lab session.

Programma

Il corso e’ organizzato in due sezioni, dedicate a metodi complementari di analisi strutturale di biomolecole.

Spettroscopia NMR e cristallografia a raggi-X (3 CFU, lezioni frontali).  Questo modulo intende fornire agli studenti una panoramica sulle applicazioni delle tecniche di risonanza magnetica nucleare (NMR) allo studio di biomolecole, peptidi e proteine. In primo luogo saranno ripresi i concetti fondamentali della spettroscopia NMR multinucleare (spin nucleare, frequenza di precessione di Larmor, spostamento chimico, accoppiamento scalare, rilassamento nucleare, effetto Overhauser nucleare) e verrà descritto come utilizzare i parametri spettrali per la caratterizzazione strutturale di biomolecole. In seguito saranno introdotte le tecniche NMR multidimensionali e verrà mostrato come queste tecniche possano fornire un insieme di informazioni per risolvere la struttura 3D di peptidi e proteine. Si daranno cenni sulle metodiche computazionali (tecniche di dinamica e meccanica molecolare) utilizzate per ottenere tali strutture. Saranno trattati elementi di diffrattometria di raggi X di proteine e verranno descritti alcuni programmi di grafica molecolare e metodi per la ricerca nelle banche dati strutturali (Protein Data Bank).

Spettroscopia vibrazionale ed elettronica (3 CFU; lezioni frontali e laboratorio). In questa parte del corso verranno trattati i principi delle spettroscopie vibrazionali IR ed elettronica, in assorbimento ed emissione, e le loro applicazioni allo studio della struttura di biomolecole.
Spettroscopia vibrazionale:
- dipendenza della frequenza di un oscillatore dalle sue caratteristiche fisiche/strutturali
- principio della misura della frequenza delle vibrazioni molecolari tramite spettroscopia IR di assorbimento
- condizioni fisiche necessarie per l'assorbimento di energia dalla radiazione IR da parte di molecole oscillanti
- modi normali di vibrazione
- dai modi normali di vibrazione alle frequenze di gruppo
- effetti delle interazioni intermolecolari sugli assorbimenti IR
- fenomeni aggiuntivi: sovratoni, combinazioni, risonanza di Fermi
- linee guida all'interpretazione di spettri IR di piccole molecole
- studio della struttura di proteine tramite spettroscopia IR (principi, metodi sperimentali)
- studio della struttura di acidi nucleici tramite spettroscopia IR (principi, metodi sperimentali)
Spettroscopia elettronica di assorbimento:
- la natura dell'assorbimento di energia dalla radiazione elettromagnetica da parte degli stati elettronici molecolari
- classificazione delle transizioni tra livelli elettronici molecolari
- solvatocromismo
- elementi di spettrochimica
- dicroismo circolare
- studio della struttura di proteine con la spettroscopia elettronica di assorbimento
- studio della struttura di acidi nucleici con la spettroscopia elettronica di assorbimento
Spettroscopia elettronica di fotoluminescenza:
- decadimenti radiativi e non radiativi da stati elettronici eccitati
- fluorescenza e fosforescenza
- tempo di vita radiativo e tempo di vita della fluorescenza
- quenching collisionale
- trasferimento di energia a distanza
 studio della struttura di proteine con la spettroscopia elettronica di fotoluminescenza
- studio della struttura di acidi nucleici con la spettroscopia elettronica di fotoluminescenza

un credito di questa parte del corso viene dedicato ad esperienze di laboratorio, condotte dagli studenti, che consistono nell'acquisizione di spettri IR ed elettronici di assorbimento e di fotoluminescenza di sistemi biomolecolari.

This part of the course is devoted to the principles of vibrational IR spectroscopy and electronic spectroscopy (both in absorption and emission) and their application to the study of the structure of biomolecules.
Vibrational IR spectroscopy
- dependence of the frequency of oscillators on their physical/structural features (Hook's law)
- principle of the measurement of the frequency of molecular vibrations by absortion IR spectroscopy
- physical requirements for the energy transfer from the electromagnetic radiation to molecular vibrational states
- vibrational normal modes
- from vibrational normal modes to group frequencies
- effects of intermolecular interactions on IR absorption bands
- additional effects: overtones, combinations, Fermi resonance
- guidelines to the analysis and intepretation of IR spectra of small organic molecules
- study  of the protein structure by IR spectroscopy (principles, experimental methods)
- study  of the structure of nucleic acids by IR spectroscopy (principles, experimental methods)
Absoprtion electronic spectroscopy:
- origin of the energy transfer from the electromagnetic radiation to molecular electronic states
- types of electronic levels and electronic transitions
- solvatochromism
- spectrochemisrty (summary)
- UV circular dichroism
- stu
- study  of the protein structure by absorption electronic spectroscopy (principles, experimental methods)
- study  of the structure of nucleic acids by IR absorption electronic spectroscopy (principles, experimental methods)
Photoluminescence electronic spectroscopy:
- radiative and radiationless decays from excited electronic states
- fluorescence and phosphorence
- radiative and fluorescenze lifetimes
- collisional quenching
- energy transfer through the space
  study  of the protein structure by photoluminescence spectroscopy (principles, experimental methods)
- study  of the structure of nucleic acids by photoluminescence spectroscopy (principles, experimental methods)

One credit will be devoted to laboratory practical works: students will collect IR and electronic (both in the absorption and emission modes) spectra of biomolecules.

Verranno fornite dispense dai docenti.

Testi di riferimento:

H. Friebolin “Basic one- and two-dimensional NMR spectroscopy”, VCH, 1993

 K. Wüthrich “NMR of proteins and nucleic acids” J. Wiley, 1986

T.D.W. Claridge “High-resolution NMR techniques in Organic Chemistry”, Pergamon 1999 (Elsevier Science)

Colthup e L.H. Daly, Introduction to infrared and Raman spectroscopy, Academic Press, 1975,New York

J.M. Chalmers e P.R. Griffits (eds), Handvbook of Vibrational Spectroscopy, Wiley,Chichester, 2002, Vol. 5.

I.D. Campbell e R. A. Dwek, Biological Spectroscopy, "Ultraviolet and Visible Absoprtion spectroscopy" (Cap. 4), e " Fluorescence" (Cap. 5), The Benjamin/Cummings Publishing Company, Menlo Park,1984.

Available at the web site
- files with the lessons
- scientific papers dealing with possible applications
Reference textbooks, all availbale from the teachers:

-H. Friebolin “Basic one- and two-dimensional NMR spectroscopy”, VCH, 1993

 -K. Wüthrich “NMR of proteins and nucleic acids” J. Wiley, 1986

-T.D.W. Claridge “High-resolution NMR techniques in Organic Chemistry”, Pergamon 1999 (Elsevier Science)

- J.M. Chalmers, P.R. Griffiths (Eds), Handbook of Vibrational Spectroscopy, Wiley, Chichester (UK)2002
- C.N.R. Rao, Ultra-Violet and Visible Spectroscopy, Butterwhorths,London (UK), third edition, 1966
N.J. Turro, Modern Molecular Photochemistry, University Science Books, Mill Valley (CA-USA)1991
I.D. Campbell, R.A. Dwek, Biological spectroscopy, The Benjamin/Cummings Publishing Company, Menlo Park (CA-USA)1984

Note

AVVISO: Il primo modulo del corso (Spettroscopia NMR Biomolecolare, Prof. S. Aime) inizierà LUNEDI' 6/10/2014, e proseguirà fino alla finestra esami con l'orario:

Lunedì 14-16 Aula 4 (adenina)

Mercoledì 14-16 Aula 4 (adenina)

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