LABORATORIO DI BIOFISICA COMPUTAZIONALE
cod. 1006215

Anno accademico 2017/18
1° anno di corso - Primo semestre
Docente
Settore scientifico disciplinare
Fisica applicata (a beni culturali, ambientali, biologia e medicina) (FIS/07)
Field
Sperimentale applicativo
Tipologia attività formativa
Caratterizzante
62 ore
di attività frontali
6 crediti
sede: PARMA
insegnamento
in ITALIANO

Obiettivi formativi

Al termine del corso lo studente dovrà conoscere e aver compreso le caratteristiche delle strutture proteiche ed i principi fisici e biologici fondamentali alla base delle metodologie e delle tecniche illustrate. In particolare dovrà essere in grado di:
1. consultare le principali banche dati biologiche, in particolare di sequenze e strutture proteiche.
2. ricavare tutte le informazioni strutturali/funzionali possibili a partire da una sequenza proteica
3. analizzare le proprietà strutturali delle proteine tramite la grafica molecolare
4. costruire un modello strutturale di una proteina di sequenza nota
5. lanciare una simulazione di dinamica molecolare di un sistema proteico
6. lanciare una simulazione di docking molecolare di un sistema proteico
7. correlare tutti i dati che possono essere utili per comprendere le proprietà fondamentali del sistema in studio, con particolare riguardo alla relazione struttura-funzione biologica.
8. utilizzare il lessico disciplinare specifico acquisito
9. consultare e comprendere gli articoli scientifici presenti in letteratura.
Inoltre lo studente dovrà essere in grado di scegliere l’approccio migliore allo studio di una problematica inerente un sistema proteico e appurarne l’efficacia e l’utilità, cercando soluzioni in modo autonomo e approfondendo le conoscenze con studio personale.
Lo studente dovrà infine essere capace di comunicare i risultati delle proprie analisi e dei propri studi in maniera chiara, sintetica ed esaustiva. Tale abilità sarà particolarmente esercitata durante il corso tramite la stesura di relazioni delle attività pratiche svolte.

Prerequisiti

Nessuno.

Contenuti dell'insegnamento

Struttura delle proteine. Interazioni covalenti e non covalenti che partecipano alla definizione della struttura delle biomolecole. Metodi teorici e sperimentali per la determinazione della struttura proteica secondaria e terziaria. Rappresentazione topologica. Strutture supersecondarie. Ramachandran plot. Classificazione dei fold.
Ricerca in banche dati biologiche.
Analisi di sequenze proteiche e nucleotidiche: similarità e metodi di allineamento (a coppie e multiplo). Ricerca di pattern e motivi conservati. Profili delle proprietà fisico-chimiche della catena proteica.
Predizione di strutture secondarie proteiche dalla sequenza primaria.
Analisi delle caratteristiche strutturali e delle proprietà funzionali di proteine e complessi proteici tramite software di grafica molecolare e server di rete.
Tecniche computazionali per lo studio di struttura e dinamica delle proteine:
Meccanica molecolare e force fields; minimizzazione dell'energia; simulazioni di dinamica molecolare.
Riconoscimento molecolare. Simulazioni di interazioni molecolari: docking e drug design.
Numerose esercitazioni pratiche durante lo svolgimento delle varie parti del programma.

Programma esteso

Struttura delle proteine. Interazioni covalenti e non covalenti che partecipano alla definizione della struttura delle biomolecole. Metodi teorici e sperimentali per la determinazione della struttura proteica secondaria e terziaria. Rappresentazione topologica. Strutture supersecondarie. Ramachandran plot. Classificazione dei fold.
Ricerca in banche dati biologiche.
Analisi di sequenze proteiche e nucleotidiche: similarità e metodi di allineamento (a coppie e multiplo). Ricerca di pattern e motivi conservati. Profili delle proprietà fisico-chimiche della catena proteica.
Predizione di strutture secondarie proteiche dalla sequenza primaria.
Analisi delle caratteristiche strutturali e delle proprietà funzionali di proteine e complessi proteici tramite software di grafica molecolare e server di rete.
Tecniche computazionali per lo studio di struttura e dinamica delle proteine:
Modellizzazione comparativa e metodi teorici di predizione del fold.
Meccanica molecolare e force fields; minimizzazione dell'energia; simulazioni di dinamica molecolare.
Riconoscimento molecolare. Simulazioni di interazioni molecolari: docking e drug design.
Numerose esercitazioni pratiche durante lo svolgimento delle varie parti del programma.

Bibliografia

A.M. Lesk, "Introduction to protein science", Oxford Univeristy Press.
A.M. Lesk, "Introduzione alla Bioinformatica", McGraw-Hill Ed.
G. Valle, M. Helmer Citterich, M. Attimonelli, G. Pesole, "Introduzione alla Bioinformatica", Zanichelli Ed.
D.E. Krane, M.L. Raymer, "Fondamenti di Bioinformatica", Pearson Education Ed.
Dal docente verranno fornite le slide utilizzate a supporto delle lezioni ed articoli di rassegna.

Metodi didattici

Lezioni frontali ed esercitazioni di laboratorio.
A supporto delle lezioni verranno utilizzate delle slide che sono da considerarsi parte integrante del materiale didattico e che verranno di volta in volta caricate sulla piattaforma Elly alcuni giorni prima dell’inizio di ogni nuovo argomento. Verranno altresì forniti articoli di rassegna sui vari argomenti trattati. Per scaricare il materiale didattico è necessaria l’iscrizione on line al corso.
Ogni argomento illustrato a lezione verrà seguito da una esercitazione pratica tramite l’utilizzo di un computer e, in alcuni casi, del cluster di Calcolo dipartimentale. Durante le esercitazioni si utilizzeranno sia banche dati e server di rete, che diversi software di analisi e calcolo. Le esercitazioni verranno dapprima guidate dal docente su un sistema di esempio e successivamente svolte personalmente dagli studenti per renderli padroni delle tecniche e delle metodologie avanzate nel campo della biofisica computazionale, in particolare per la determinazione, predizione e analisi di struttura e dinamica di sistemi proteici.
E’ richiesta una relazione scritta su ciascuna esercitazione pratica svolta, che illustri il sistema studiato, il metodo utilizzato, i risultati ottenuti, le conclusioni e i commenti. Tale relazioni potranno essere consegnate in itinere (e, in tal caso, preventivamente controllate dal docente), man mano che verrà svolta l’esercitazione; in ogni caso dovranno essere consegnate tassativamente al docente alcuni giorni prima di sostenere l’esame, saranno corrette, e costituiranno parte integrante della valutazione. Per questo motivo, la consegna delle relazioni è condizione necessaria per poter sostenere l’esame.
Si ricorda agli studenti di controllare il materiale didattico disponibile e gli avvisi forniti dalla docente tramite la piattaforma Elly.

Modalità verifica apprendimento

Valutazione sommativa.
Prova orale. Come sopra riportato, è richiesta una relazione scritta su ciascuna esercitazione pratica svolta, che illustri il sistema studiato, il metodo utilizzato, i risultati ottenuti, le conclusioni e i commenti. Tale relazioni potranno essere consegnate in itinere (e, in tal caso, preventivamente controllate dal docente), man mano che verrà svolta l’esercitazione; in ogni caso dovranno essere consegnate tassativamente al docente alcuni giorni prima di sostenere l’esame, saranno corrette, e costituiranno parte integrante della valutazione. Per questo motivo, la consegna delle relazioni è condizione necessaria per poter sostenere l’esame. L’esame partirà dalla discussione delle relazioni riguardanti le esercitazioni svolte in laboratorio, che costituiscono parte integrante della valutazione. L’esame proseguirà poi con alcune domande orali sui concetti fondamentali su cui si fondano le metodologie affrontate. La valutazione/discussione delle relazioni e la risposta alle domande peseranno ciascuna al 50% nella valutazione finale.

Altre informazioni

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