Il corso tratta due argomenti principali. Il primo modulo riguarda lo studio di come sia possibile rendere efficace l’attività sperimentale nella soluzione di problemi industriali quali: l’ottimizzazione di un processo industriale, di un prodotto, di un farmaco, di una formulazione, di un metodo analitico, ecc. Queste tecniche, adottate in tutto il mondo, consentono di ottenere i migliori risultati, col minor sforzo sperimentale possibile. Il secondo modulo riguarda invece l’analisi dei processi industriali mediante la tecnica delle carte di controllo, che permettono di stabilire se il processo è stabile e di identificarne eventuali difetti, proponendo di conseguenza gli interventi da adottare. In questo modulo vengono inoltre definite la capability di processo e quali siano i parametri adatti ad indicarne la qualità.

Parte A (Chimica Fisica dei Materiali). Classificazione dei materiali e loro proprietà. Tipi di legami nei materiali. Lo stato solido: proprietà e classificazione dei solidi. Tecniche di caratterizzazione strutturale dei materiali: XRD e microscopie elettroniche (SEM e HRTEM con microsonda EDS). Proprietà meccaniche, elettriche, magnetiche e ottiche dei materiali. La superficie dei materiali e tecniche di caratterizzazione di superfici (spettroscopia Auger, XPS, UPS, fluorescenza a raggi X). Cambiamento delle proprietà dei materiali in funzione delle dimensioni: i nano-materiali e nano-materiali porosi. Verranno esaminati alcuni tipi di materiali porosi e materiali ibridi organico-inorganici con cenni alle procedure di sintesi e alle loro applicazioni in diversi campi di interesse tecnologico (catalisi eterogenea, rilascio controllato di farmaci e imaging ottico). Parte B (Catalisi). Catalisi eterogenea: Meccanismi di reazioni in fase gas in catalisi eterogenea. Aspetti energetici nella catalisi eterogenea. I solidi per la catalisi eterogenea: metodi di preparazione di materiali microporosi e mesoporosi e catalizzatori metallici supportati, metodi per lo studio delle proprietà e reattività di superficie di catalizzatori eterogenei. Esempi di processi catalitici in fase eterogenea.

Programmazione dell’analisi. Strategie e metodologie di campionamento. Campionamento statistico. Metodi di pretrattamento del campione. Preconcentrazione. Inquinanti in acque, suoli, sedimenti. Loro origine, tossicità e impatto ambientale. Meccanismi di diffusione, trasformazione, degradazione e accumulo. Inquinanti a lunga persistenza nell’ambiente. Identificazione e determinazione di inquinanti in acque, suolo, sedimenti. Scelta della tecnica strumentale. Confronti tra tecniche. Trattamento dei dati. Metodi chemiometrici di analisi multivariata nell’analisi ambientale. Esempi di applicazione.

Struttura delle proteine: funzione e architettura delle proteine, dalla struttura primaria alla struttura quaternaria, visualizzazione dei modelli tridimensionali di strutture proteiche presenti nel PDB database. Il folding. Dalla struttura alla funzione: proteine strutturali, catalisi, metallo proteine, proteine di membrana, regolazione della funzione delle proteine, degradazione. Aspetti del metabolismo dei carboidrati: coordinazione fra anabolismo e catabolismo, biosintesi di amido, saccarosio e polisaccaridi della parete cellulare, degradazione del materiale cellulosico per la produzione di biocarburanti. Metabolismo lipidico:trasporto e utilizzo dei lipidi, biosintesi degli acidi grassi e del colesterolo. Metabolismo dell’azoto: ciclo dell’azoto e biosintesi degli aminoacidi. Biosintesi e degradazione dei nucleotidi. Meccanismi molecolari di trasduzione del segnale e regolazione ormonale. Integrazione del metabolismo nei mammiferi: la specializzazione degli organi.

Il corso tratta due argomenti principali. Il primo modulo riguarda lo studio di come sia possibile rendere efficace l’attività sperimentale nella soluzione di problemi industriali quali: l’ottimizzazione di un processo industriale, di un prodotto, di un farmaco, di una formulazione, di un metodo analitico, ecc. Queste tecniche, adottate in tutto il mondo, consentono di ottenere i migliori risultati, col minor sforzo sperimentale possibile. Il secondo modulo riguarda invece l’analisi dei processi industriali mediante la tecnica delle carte di controllo, che permettono di stabilire se il processo è stabile e di identificarne eventuali difetti, proponendo di conseguenza gli interventi da adottare. In questo modulo vengono inoltre definite la capability di processo e quali siano i parametri adatti ad indicarne la qualità.

Verranno approfondite le spettroscopie vibrazionali (IR e Raman), con particolare riferimento all’origine delle frequenze di gruppo, dei sovratoni, delle bande di combinazione e dei fenomeni di risonanza di Fermi. Verranno fornite le basi per la comprensione degli spettri vibrazionali di molecole poliatomiche, anche con una certa complessità strutturale. Verranno inoltre mostrati esempi di studi spettroscopici di sistemi microcristallini di interesse per la catalisi e per materiali compositi inorganici-organici nanostrutturati. Nell’ambito del corso verranno inoltre illustrati i principi delle tecniche spettroscopiche elettroniche di assorbimento (UV-VIS-NIR) e emissione (fluorescenza e fosforescenza). Studio di molecole organiche con proprietà di assorbimento ed emissione per applicazioni in sistemi optoelettronici, fotovoltaici ecc. Sulla base dell’interesse degli studenti verranno organizzate delle esercitazioni di laboratorio con uso di strumentazione dedicata allo studio delle interfacce solido/gas e solido/liquido.

Modulo: CHIMICA ANALITICA SUPERIORE Il corso è diviso in due parti che presentano applicazioni avanzate della chimica analitica. 1) Chimica per i beni culturali. I principali materiali di interesse artistico-archeologico. Applicazioni della chimica per i beni culturali. Autenticazione. Datazione. Conservazione e restauro. Studi di provenienza. Studi tecnologici. Altre applicazioni. 2) Chimica Clinica. Organizzazione del laboratorio. Raccolta, conservazione e variabilità dei campioni biologici. Principali determinazioni in campo chimico clinico: bilancio idroelettrolitico ed equilibrio acido-base gas del sangue. Metabolismo del calcio, dei fosfati e del magnesio. Metabolismo dei carboidrati e patologie connesse: diabete, ipoglicemie ed errori congeniti. Lipidi e lipoproteine e aterosclerosi. Metabolismo delle proteine. Diagnostica enzimatica. Oligoelementi. Catabolismo del gruppo eme: bilirubina, bilinogeni, itteri. Esame delle urine e funzionalità renale. Endocrinologia clinica. Marcatori tumorali circolanti. Identificazione di biomarker attraverso metodi proteomici. quantificarli. Modulo: LABORATORIO DI CHIMICA SUPERIORE Progettazione e messa in opera di un’esperienza pratica di chimica analitica. Gli argomenti sono i seguenti: 1) Come risolvere un problema di chimica analitica. Analisi qualitativa e quantitativa. Schema di progetto. Inquadramento del problema. 2) Le principali tecniche analitiche. Considerazioni preliminari sulla scelta della tecnica analitica. Tecniche cromatografiche, spettroscopiche ed elettrochimiche. 3) Pretrattamento del campione. 4) Ricerca bibliografica. Letteratura su carta (Chemical Abstracts, Merck Index, patents o brevetti, tesi di laurea e di dottorato, riviste scientifiche). Letteratura elettronica. Database 5) Impostazione del progetto, esecuzione, discussione dei risultati.

Parte A (Chimica Fisica dei Materiali). Classificazione dei materiali e loro proprietà. Tipi di legami nei materiali. Lo stato solido: proprietà e classificazione dei solidi. Tecniche di caratterizzazione strutturale dei materiali: XRD e microscopie elettroniche (SEM e HRTEM con microsonda EDS). Proprietà meccaniche, elettriche, magnetiche e ottiche dei materiali. La superficie dei materiali e tecniche di caratterizzazione di superfici (spettroscopia Auger, XPS, UPS, fluorescenza a raggi X). Cambiamento delle proprietà dei materiali in funzione delle dimensioni: i nano-materiali e nano-materiali porosi. Verranno esaminati alcuni tipi di materiali porosi e materiali ibridi organico-inorganici con cenni alle procedure di sintesi e alle loro applicazioni in diversi campi di interesse tecnologico (catalisi eterogenea, rilascio controllato di farmaci e imaging ottico). Parte B (Catalisi). Catalisi eterogenea: Meccanismi di reazioni in fase gas in catalisi eterogenea. Aspetti energetici nella catalisi eterogenea. I solidi per la catalisi eterogenea: metodi di preparazione di materiali microporosi e mesoporosi e catalizzatori metallici supportati, metodi per lo studio delle proprietà e reattività di superficie di catalizzatori eterogenei. Esempi di processi catalitici in fase eterogenea.

Modulo: CHIMICA MACROMOLECOLARE SUPERIORE Scienza e Tecnologia dei Polimeri. Elasticità delle gomme. Transizione vetrosa. Stato cristallino. Meccanica dei polimeri. Creep e stress relaxation. Viscoelasticità e modelli di rilassamento. Reologia. Degradazione e stabilizzazione. Stampaggio ad iniezione, estrusione e principali metodi di trasformazione. Simulazione di processo. Modulo: LABORATORIO DI CHIMICA MACROMOLECOLARE SUPERIORE Policondensazioni, polimerizzazioni radicaliche, copolimerizzazioni e polimerizzazioni radicaliche controllate, cenni teorici. Esperienza: copolimerizzazione radicalica di stirene e metilacrilato, sintesi, caratterizzazione dei materiali ottenuti e determinazione dei rapporti di reattività. Esperienza: polimerizzazione radicalica controllata dello stirene mediante ATRP, sintesi, caratterizzazione dei materiali ottenuti e determinazione della cinetica di reazione. Esperienza: polimerizzazione in emulsione del butil acrilato e caratterizzazione dei materiali ottenuti. Pesi molecolari e determinazione dei pesi molecolari. Analisi termica di materiali polimerici mediante tecniche DSC e TGA. Determinazione della transizione vetrosa. Esperienza: determinazione del peso molecolare di campioni di polistirene. Esperienza: determinazione delle proprietà termiche di campioni di PET commerciali.

Modulo: CHIMICA INORGANICA SUPERIORE Metodi spettroscopici basati sulla Risonanza Magnetica per lo studio della struttura molecolare e dei processi dinamici. Principi base della tecnica; nuclei in un campo magnetico; risonanza; popolazione dei livelli di spin nucleare; esperimento ad onda continua. Metodo NMR ad impulsi: generalità, angolo d’impulso, sistema di coordinate rotanti, equazioni di Bloch, rilassamento, trasformata di Fourier. Parametri NMR: chemical shift (contributi diamagnetico, paramagnetico e locale) e costanti di accoppiamento (geminali, vicinali, long-range, omo- ed eteronucleari). Aspetti teorici ed applicazioni nell’analisi strutturale. Omotopia ed enantiotopia. Equivalenza chimica e magnetica di nuclei. Ordine di uno spettro NMR. Cenni sui sistemi di spin di ordine superiore. Tempi di rilassamento: definizione, misura e meccanismi; tecniche moderne: 1) doppia risonanza: disaccoppiamenti broadband (gated e off-resonance); 2) NOE: principi ed applicazioni; 3) sequenze INEPT e DEPT. 2D NMR: esperimenti omo- and eteronucleari (COSY, EXSY, NOESY, HMQC, HMBC...). NMR dinamico: generalità, line-shape analysis, T di coalescenza, applicazioni. NMR e la tavola periodica: applicazioni in chimica inorganica. NMR allo stato solido. NMR dei sistemi paramagnetici: ioni metallici, complessi e loro coniugati a macromolecole. Le tecniche rilassometriche e il Fast-field cycling. Principi di MRI e uso di sistemi metallici quali agenti di contrasto. La chimica di coordinazione degli elementi f. Modulo: BIOINORGANICA Introduzione alla chimica inorganica medicinale. Richiami di biochimica, in particolare sul DNA. Generalità sui tumori e sulla strategia chemioterapica antitumorale. Agenti alchilanti. Complessi del Pt quali agenti alchilanti (elettrofili). Farmacocinetica, farmacodinamica e DNA come target. Meccanismo di platinazione e deformazione del DNA. Effetti su replicazione e trascrizione. Progetto “rescue” contro la nefrotossicità. Cisplatino, carboplatino, oxaliplatino e derivati similari in clinica. Regole SAR e progettazione di nuovi farmaci. Test farmacologici in vitro su culture cellulari e sferoidi e test in vivo. Titanocene e Rutenio dicloruro. I complessi attivabili per acidità e/o riduzione (pro-farmaci). Resistenze naturali ed acquisite. Picoplatino. Farmacogenomica. Applicazione dei concetti di “drug targeting and delivery” a composti cisplatino simili. Complessi agenti da intercalanti del DNA. L’ossigeno tripletto/ singoletto ed i ROS (reactive oxygen species): complessi operanti per stress ossidativo al DNA (bleomicina attivata da cationi ferro) e complessi fotosensibilizzanti per terapia fotodinamica (p.e. metallo-porfirine). Pt(IV)-azide fotoattivabile. Complessi metallici per terapie diverse. Complessi dell’Au(I) come anti-reumatici. Complessi del Bi(III) come anti-ulcera. Complessi a rapido rilascio di ossido di azoto (NO) p.e. sodionitroprussiato, quali anti-ipertensivi nelle emergenze H e sali di Roussin come radiosensibilizzanti. Composti di Vanadile quale insulino mimetici per il trattamento del diabete. Medicina nucleare: Radioterapia interna con radioisotopi alfa e beta emettitori. BNCT. Radiodiagnostica con gamma emettitori. Complessi di 99m-Tc per scintigrafia SPET. Generatore di tecnetato. Radio-iodio. PET e fluoroglucosio. Lavoro di ricerca bibliografica personale.

Questo corso intende fornire agli studenti una panoramica sulle applicazioni delle tecniche di risonanza magnetica nucleare (NMR) in biologia strutturale e metabolomica, con particolare riferimento allo studio di biomolecole, peptidi e proteine e loro interazioni con ligandi naturali o sintetici. 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 (sia di tipo omonucleare che eteronucleare), e verrà mostrato come queste tecniche possano fornire un insieme di informazioni per risolvere la struttura tridimensionale di molecole biologicamente attive, inclusi peptidi e proteine. Si daranno cenni sulle metodiche computazionali (tecniche di dinamica e meccanica molecolare) utilizzate per ottenere tali strutture. Infine si descriverà come acquisire ed interpretare spettri NMR di miscele complesse (estratti tissutali e fluidi biologici). Il modulo è strutturato in 3 CFU di lezioni frontali e 3 CFU di esercitazioni in laboratorio e aula informatica. Esperienze di laboratorio: i) Preparazione del campione per l’analisi NMR, acquisizione ed interpretazione di spettri NMR monodimensionali (1H, 13C e 19F) di una piccola molecola (desametasone-21-fosfato); ii) acquisizione ed interpretazione di spettri 2D-NMR (COSY, NOESY, TOCSY, HSQC, HMBC); Assegnazione totale delle risonanze 1H e 13C NMR del desametasone; iii) Identificazione di un composto incognito tramite spettroscopia NMR; iv) assegnazione sequenza specifica di un ottapeptide (lab informatico).

Modulo A Il modulo si propone di fornire agli studenti le conoscenze di base della spettroscopia di risonanza paramagnetica elettronica (EPR). Il corso si compone di un’introduzione sulla tecnica (basi teoriche e strumentazione) e sulle sue applicazioni ai complessi metallici utili in campo biologico-medico. A questa prima parte seguiranno le esperienze di laboratorio. In particolare verranno sintetizzati e caratterizzati complessi di rame utili per la somministrazione di tale elemento. Modulo B Il modulo si propone di fornire agli studenti una conoscenza più approfondita dei complessi di coordinazione utili in campo biologico-medico, integrando con esperienze pratiche le conoscenze acquisite nel corso di chimica bioinorganica. Il corso comprenderà una parte di introduzione alle esperienze di laboratorio ed una parte più propriamente sperimentale in cui verranno sintetizzati e caratterizzati complessi metallici di interesse medico. Di alcuni di questi farmaci o modelli di farmaci verrà studiato il meccanismo d’azione.

Definizione di Fisiologia. Caratteristiche degli esseri viventi. Composizione chimica della materia vivente. Omeostasi e adattamento. Membrana cellulare. Diffusione, osmosi. Trasporto di membrana. Comunicazione cellulare. Molecole segnale, recettori. Vie di trasduzione del segnale. Potenziali di equilibrio e di diffusione. Equilibrio di Donnan, modello pump and leak, RVD, RVI. Correnti di membrana e misure EF. Potenziale di azione. Segnali del calcio. Omeostasi del calcio. Sinapsi. Cellula muscolare.

Modulo: CHIMICA FISICA SUPERIORE Nell’ambito del corso verranno trattati argomenti chimico-fisici utili alla descrizione del comportamento di specie chimiche di importanza ambientale. Particolare attenzione verrà data alla trattazione dei processi fotochimici e di adsorbimento gas-solido, oltre che alla trattazione di processi termodinamici di interesse ambientale. Verranno forniti agli studenti nozioni riguardanti i costituenti chimici e la struttura fisica dell'atmosfera. Inoltre verranno trattati argomenti riguardanti la chimica della stratosfera e il problema dell'ozono, il riscaldamento globale e la chimica della troposfera con particolare riferimento alle piogge acide, smog fotochimico e particolato atmosferico. Saranno inoltre introdotti i principi di funzionamento di dispositivi per la produzione di energia a basso impatto ambientale. Particolare attenzione sarà data all’introduzione dei principi di funzionamento di celle fotovoltaiche al silicio e di celle basate su coloranti naturali e fotosintesi. Verranno analizzati i processi che stanno alla base della produzione di energia elettrica sfruttando la luce solare e processi chimici. Sarà analizzato l’impatto dei grandi impianti per la produzione di energia sull’ambiente con particolare attenzione ai processi che portano alla formazione di inquinanti pericolosi (diossine) e loro inibizione. Saranno infine introdotti i concetti alla base della diffusione degli inquinanti nell’atmosfera e nell’idrosfera. Modulo: LABORATORIO DI CHIMICA FISICA SUPERIORE Nell’ambito del presente corso, che ha uno spiccato carattere applicativo, saranno approfondite le metodologie di indagine di base che possono essere utilizzate per lo studio di materiali solidi di interesse ambientale, come ad esempio catalizzatori eterogenei per reazioni a basso impatto ambientale. Dopo alcune lezioni frontali, che saranno dedicate principalmente all’introduzione dei sistemi solidi di interesse ambientale e alla verifica della conoscenza dei principi di base delle tecniche sperimentali che possono essere utilizzate per lo studio degli stessi (spettroscopia IR, Raman e DR-UV-Vis, analisi porosimetrica, microscopia elettronica, analisi termica), verranno organizzate diverse esperienze pratiche in laboratorio che permetteranno di acquisire informazioni sulle proprietà chimico-fisiche dei sistemi solidi analizzati.

La Replicazione del DNA. Gli acidi nucleici. Le DNA polimerasi. La topologia del DNA. Struttura e meccanismo d'azione. Il replisoma e i suoi componenti. Il meccanismo di correzione delle bozze. La topoisomerasi I e suo meccanismo d'azione. Il danno del DNA. Restauro del DNA. Meccanismi di reversione, escissione, mismatch-repair e per ricombinazione. La cromatina, il nucleosoma e gli istoni. La trascrizione del DNA. Le RNA polimerasi procariore ed eucariote. L'unita' trascrizionale procariote ed eucariote. Regolazione dell'inizio della trascrizione negli eucarioti. Fattori di trascrizione generali e complesso d'inizio. Modificazioni post-trascrizionali. Introni e splicing. Splicing differenziale. RNA catalitico. RNA editing. Controllo genico negli eucarioti. Attivatori e repressori della trascrizione e meccanismi molecolari del controllo trascrizionale. I meccanismi della traduzione. Struttura del ribosoma. Il codice genetico. tRNA e sua struttura. AAtRNA sintetasi e suo meccanismo d'azione. Il riconoscimento codone-anticodone "Vacillamento". Formazione del complesso di inizio della traduzione. IF e loro regolazione. Allungamento della catena ed EF. Terminazione della sintesi proteica. Principali modificazioni post-traduzionali delle proteine. Laboratorio di Biologia Molecolare. Clonaggio di DNA ricombinante ed enzimi di restrizione. Plasmidi. Costruzione e screening di genoteche. Tecniche di analisi degli acidi nucleici. Sequenziamento del DNA e tecniche di PCR.