Anno di corso: 1

Crediti: 8
Crediti: 8
Crediti: 8
Crediti: 8
Crediti: 3
Tipo: Lingua/Prova Finale

Anno di corso: 2

Anno di corso: 3

Crediti: 6
Crediti: 8
Crediti: 6
Crediti: 12
Tipo: A scelta dello studente
Crediti: 5
Tipo: Lingua/Prova Finale
Crediti: 10
Tipo: Per stages e tirocini

CHIMICA FISICA DEI SISTEMI BIOLOGICI

Scheda dell'insegnamento

Anno accademico di regolamento: 
2017/2018
Anno di corso: 
3
Anno accademico di erogazione: 
2019/2020
Tipo di attività: 
Obbligatorio a scelta
Lingua: 
Italiano
Crediti: 
6
Ciclo: 
Primo Semestre
Ore di attivita' didattica: 
42
Prerequisiti: 

Prerequisiti: Semplici nozioni di Fisica (Energia e sue forme). Semplici concetti matematici (significato di derivata e integrale, differenziali). Conoscenze di stechiometria.
Propedeuticità specifiche: nessuna.
Propedeuticità generali: lo studente può sostenere gli esami del terzo anno dopo aver superato tutti gli esami del primo anno di corso

Moduli

Metodi di valutazione

Modalita' di verifica dell'apprendimento: 

Esame orale.

All'inizio dell'esame orale, saranno sottoposte allo studente alcune domande a risposta multipla come iniziale verifica di quanto appreso. Le risposte dovranno essere sempre motivate e ricollegate a concetti più ampi.

Ulteriori domande di approfondimento saranno poste sugli argomenti trattati a lezione, con particolare riguardo all'energia libera e all'equilibrio chimico (per la parte di termodinamica) e alle leggi cinetiche (per la parte di cinetica).

Nella prova finale, per quanto possibile, lo studente verrà valutato sulla base dei seguenti criteri:
1) conoscenza e capacità di comprensione ;
2) capacità di collegare i diversi concetti;
3) autonomia di ragionamento;
4) capacità di utilizzare correttamente il linguaggio scientifico

Valutazione: 
Voto Finale

Obiettivi formativi

Fornire allo studente gli strumenti di base della termodinamica e della cinetica chimica per la comprensione e la modellazione di sistemi e processi biochimici.
Conoscenza e comprensione
Al termine del corso lo studente conosce:
- la natura della Termodinamica e il concetto di rappresentazione termodinamica della realtà fisica
- le prime tre leggi della Termodinamica
- il concetto di spontaneità in termini di entropia e di energia libera
- il concetto di equilibrio e la derivazione non fenomenologica della costante di equilibrio
- il concetto di velocità in una reazione chimica e sue applicazioni
- il concetto cinetico di meccanismo di reazione
- la derivazione dell’equazione di Michaelis-Menten in termini di cinetica chimica

Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Al termine del corso lo studente è in grado di:
- calcolare le variazioni di grandezze termodinamiche
- applicare il criterio di spontaneità in termini di energia libera
- utilizzare dati sperimentali per dedurre una legge di velocità e calcolare la relativa costante di velocità
- verificare un meccanismo di reazione

Autonomia di giudizio.
Al termine del corso lo studente è in grado di:
- applicare correttamente e in modo critico le leggi della Termodinamica

Abilità comunicative.
Saper affrontare semplici problemi di termodinamica e cinetica, esponendo oralmente con proprietà di linguaggio il procedimento applicato ed i risultati ottenuti

Capacità di apprendimento
Essere in grado di applicare le conoscenze acquisite a contesti differenti da quelli presentati durante il corso, e di comprendere gli argomenti trattati nella letteratura scientifica riguardante gli aspetti termodinamici dei processi biologici

Contenuti

Termodinamica: Energia e prima legge. Entropia, seconda e terza legge. Energia libera ed equilibrio. Equilibrio chimico .
Cinetica: leggi e meccanismo delle reazioni discontinue..

Programma esteso

Descrizione dei sistemi macroscopici. Natura della termodinamica. Rappresentazione termodinamica della realtà fisica. Variazione dello stato di un sistema. Lavoro e calore.

Energia e prima legge della termodinamica. Prima legge della termodinamica. La misura del calore come variabile di stato. Entalpia. Capacità termica. Variazioni di entalpia. Variazione di entalpia nelle trasformazioni di fase. Stati di aggregazione della materia.

Entropia, seconda e terza legge della termodinamica. Processi spontanei. Seconda legge della termodinamica. Criterio di spontaneità in termini di entropia. Degenerazione di uno stato ed entropia. Equazione di Boltzmann. Esempi di processi spontanei: equilibrio termico; equilibrio di fase. Terza legge della termodinamica. Entropia residua.

Energia libera ed equilibrio. Energia libera di Gibbs ed energia libera di Helmholtz. Criterio di spontaneità in termini di energia libera. Sistemi con un solo componente: l’equilibrio di fase. Sistemi con più componenti: equilibrio di mescolamento; soluzioni ideali e reali; stati standard. Potenziale chimico e sua dipendenza dalla composizione. Equilibrio di reazione: la costante di equilibrio; variazioni di energia libera standard; dipendenza di ΔG e K dalla temperatura. Equilibri chimici in sistemi di interesse biologico: le interazioni idrofobiche.

Sistemi lontano dall’equilibrio. Fenomeni di trasporto. Cenni di termodinamica dei sistemi lontani dall’equilibrio.

Cinetica e meccanismo delle reazioni discontinue. Velocità di reazione. Legge di velocità, costante di velocità ed ordine di reazione. Equazioni cinetiche per reazioni di vario ordine. Determinazione sperimentale dell'ordine di reazione e della velocità di reazione. Stadi elementari e meccanismo di reazione. Relazione tra costante di equilibrio e costante di velocità. Costruzione di un meccanismo di reazione. Dipendenza della costante di velocità di una reazione elementare dalla temperatura; equazione di Arrhenius. Relazione tra costante di velocità ed energia di attivazione. Catalisi enzimatica; derivazione dell’equazione di Michaelis-Menten; inibizione competitiva e non-competitiva; inibizione da substrato.

Bibliografia consigliata

Appunti delle lezioni.

Testi suggeriti:
- Atkins, De Paula “Chimica Fisica Biologica 1”, Zanichelli 2007
- Pitea, “ Elementi di Chimica Fisica”, dispense
- Prigogine, Kondepudi, Termodinamica, Bollati Boringhieri, 2002
- Roussel, “A Life Scientist’s Guide to Physical Chemistry”, Cambridge, 2012
- E. Tiezzi, “Verso una fisica evolutiva”, Donzelli 2006
- M-W Ho, “The rainbow and the worm”, World Scientific 1998
- E. Schrödinger, “Che cos'è la vita?”, Adelphi 1995
- E. Tiezzi, “Tempi storici, tempi biologici”, Donzelli 2005

Modalità di erogazione

Convenzionale

Metodi didattici

Lezioni frontali, esercitazioni numeriche in aula.
L'insegnamento è tenuto in lingua italiana.

Contatti/Altre informazioni

Ricevimento: su appuntamento, previa e-mail al docente.