Lezione n. 1. Chimica fisica Micro-macro. & descrizioni multiscala

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1 Chimica Fisica Biotecnologie sanitarie Lezione n. 1 Chimica fisica Micro-macro & descrizioni multiscala Gli strumenti della chimica fisica Esempio o 1: metodi spettroscopici interazione radiazione / materia Esempio 2: progettazione razionale dei farmaci Esempio 3: folding delle proteine Antonino Polimeno 1

2 Chimica fisica - La chimica è quella branca delle scienze naturali che si occupa dello studio, della costituzione e delle proprietà della materia e delle sue trasformazioni (wikipedia!) a livello atomico e molecolare - La chimica fisica è l area della chimica che misura, interpreta e prevede le proprietà della materia a livello atomico e molecolare impiegando gli strumenti della fisica e della fisica-matematica - Termodinamica - Chimica quantistica - Meccanica statistica - Chimica computazionale - Dinamica molecolare - Elettrochimica - Fotochimica - NMR, EPR - Chimica dello stato solido e delle superfici - Chimica delle interfasi - Chimica delle soluzioni e dei colloidi Antonino Polimeno 2

3 XVII secolo Robert Boyle ( ) 1691) Antonino Polimeno 3

4 XVIII secolo Antoine Lavoisier ( ) 1794) Antonino Polimeno 4

5 XIX secolo Stanislao Cannizzaro ( ) 1910) Antonino Polimeno 5

6 XX secolo Linus Pauling ( ) 1994) Antonino Polimeno 6

7 XXI secolo Antonino Polimeno 7

8 Previsione ab initio di proprietà molecolari? Blue Gene: Teraflops (2004) Antonino Polimeno 8

9 Micro-macro Antonino Polimeno 9

10 Clorofilla A LATEX Antonino Polimeno 10

11 Chimica fisica: strumenti - Termodinamica & termochimica: la materia (o una sua parte, un sistema) è descritta prescindendo dalla sua struttura molecolare - Meccanica statistica: la materia è descritta a livello molecolare / l accento è sulla descrizione di proprietà macroscopiche dedotte dalle proprietà di grandi (numero di Avogadro) insiemi di molecole descritte a livello classico o quantistico - Meccanica quantistica: le molecole sono descritte a livello quantistico - Chimica computazionale: le varie proprietà della materia (molecole) sono calcolate da modelli teorici - Dinamica molecolare e cinetica chimica: lo studio della variazione delle proprietà molecolari nel tempo in assenza od in presenza di reazioni chimiche - Elettrochimica: studio delle reazioni che comportano scambio / sviluppo di energia elettrica - Spettroscopie ottiche: studio dei fenomeni di interazion radiazione materia (UV/Visibile, IR etc.) - Spettroscopie magnetiche: studio dei fenomeni di interazione campi magnetici materia (e.g. NMR, EPR) - Chimica fisica dello stato solido - Chimica fisica delle soluzioni e dei colloidi - Chimica fisica delle interfasi Antonino Polimeno 11

12 Esempio 1 Metodi spettroscopici (UV/visibile visibile) Antonino Polimeno 12

13 Esempio 1 Metodi spettroscopici (spettroscopie magnetiche) Antonino Polimeno 13

14 Esempio n. 2 Progettazione razionale dei farmaci - Metodi storico di individuazione di un farmaco: - test di sostanze su animali / cellule - Problema: grande numero di possibili sostanze attive - La chimica fisica permette di combinare diverse tecnologie per favorire una progettazione razionale dei farmaci - Esempio: impiego di informazioni sulla struttura tridimensionale di biomolecole (e.g. cristallografia a raggi X, NMR) structure-based drug design. (dorzolamide1995; vedi Kubinyi H (1999). "Chance favors the prepared mind--from serendipity to rational drug design". J Recept Signal Transduct Res 19 (1-4): ) - Determinazione di relazioni proprietà / struttura con i metodi della chimica computazionale; es. descrizione del sito attivo di enzimi - impiego di metodi della termochimica - meccanica statistica - meccanica quantistica Dorzolamide: agente anti-glaucoma (CO 2 bicarbonato) Antonino Polimeno 14

15 Esempio 3 Folding delle proteine - Christian Anfinsen et al.(1960): ribonucleasi isolata dal pancreas bovino / 124 aminoacidi / elimina RNA danneggiato (lega l RNA danneggiato in un sito attivo mediante legami zolfo, dati da cisteine); i ponti disolfuro mantengono la struttura e la funzione dell enzima - La ribonucleasi viene denaturata da agenti chimici o dal calore, i ponti disolfuro si rompono e la ribonucleasi diventa inattiva - Anfinsen dimostra che l eliminazione degli agenti chimici o il raffreddamento riporta la ribonucleasi ad uno stato attivo: la struttura secondaria determina le proprietà della proteina (Nobel per la chimica del 1972). - Come fa la proteina a trovare la sua giusta conformazione / struttura? Impossibile per tentativi: per una proteina con 100 aminoacidi sono possibili conformazioni! Se la proteina provasse 100 miliardi di conformazioni al secondo, servirebbero 100 miliardi di anni per esplorarle tutte - Metodi computazionali - ricerca delle conformazioni a minore energia - ricerca dei cammini di ripiegamento - folding pathways) Antonino Polimeno 15

16 Esempio 3 Folding delle proteine Antonino Polimeno 16