Wstęp do modelowania molekularnego i obliczeniowej biologii molekularnej 1100-2BP23

Przypomnienie podstaw klasycznej mechaniki i dynamiki układu wielu cząstek z centralnymi siłami i prezentacja zastosowań tych praw. Algorytmiczne metody optymalizacji struktury (mechanika molekularna, MM) i symulacji ruchów atomów (dynamika molekularna, MD) z wykorzystaniem MOE.
Przypomnienie podstaw atomowej i molekularnej mechaniki kwantowej, w tym opisu ich stanów stacjonarnych i prezentacja ich zastosowań. Przybliżenie Borna-Oppenheimera. Powierzchnie potencjalne w stanie podstawowym i w stanach wzbudzonych. Siły molekularne wynikające z twierdzenia Hellmanna-Feynmana i w konsekwencji wynikające z twierdzenia elektrostatycznego. Właściwości elektronowe molekuł w ich stanach podstawowych i wzbudzonych, które można uzyskać stosując metody molekularnej mechaniki kwantowej (QM).
Opis przybliżonych modeli potencjałów międzycząsteczkowego oddziaływania na bazie formalizmu molekularnej mechaniki kwantowej. Oddziaływania elektrostatyczne, indukcyjne, dyspersyjne i odpychania walencyjnego. Czym różni się kwantowa dynamika molekularna od dynamiki klasycznej z kwantowymi potencjałami na ustalonej stacjonarnej powierzchni potencjalnej.
Przypomnienie podstaw fizyki statystycznej układu wielu klasycznych cząstek oddziałujących wszakże kwantowymi potencjałami. Potencjały termodynamiczne: energia wewnętrzna, energia swobodna, entalpia, entalpia swobodna.
Efektywne siły międzycząsteczkowe na poziomie mezoskopowym - gradienty energii swobodnej. Efektywne oddziaływania elektrostatyczne i oddziaływania hydrofobowe.
Analiza dynamiki prostych modeli układów (bio)molekularnych zachodzącej w potencjale bistabilnym oraz przejście od dynamiki do biochemicznej kinetyki.
Biomolekularne przełączniki takie jak pierścień furanozowy w kwasach nukleinowych lub prolina w białkach.
Zastosowanie wiedzy teoretycznej do opisu struktury i funkcji wybranych układów (bio)molekularnych, w tym wybranych białek i kwasów nukleinowych .
Zintegrowana analiza różnych biologicznych procesów wynikających wszakże z takich samych lub zbliżonych fizycznych modeli - przykład, przemiany konformacyjne w kwasach nukleinowych i przemiany konformacyjne w białkach prionowych z wykorzystaniem MOE.
Procesy dyfuzyjne w układach biologicznych.
Związki fizyki oraz procesów ewolucyjnych w biologii - czyli czego fizycy mogą nauczyć się od biologów ?

Kierunek podstawowy MISMaP

fizyka
biotechnologia
informatyka
biologia
chemia

Tryb prowadzenia

mieszany: w sali i zdalnie

Założenia (opisowo)

• Przygotowanie studentów do rozumienia struktury i funkcji prostych układów biomolekularnych w oparciu o podstawowe prawa nierelatywistycznej fizyki klasycznej i kwantowej, • Nauczenie studentów posługiwania się w sposób logicznie spójny językiem fizyki, chemii i biologii, • Nauczenie studentów samodzielnego konstruowania prostych teoretycznych strukturalnych i funkcjonalnych modeli wybranych układów biomolekularnych, zaprogramowania tych modeli z wykorzystaniem dowolnego środowiska programistycznego (Python, Mathematica lub innego), wykonania symulacji funkcjonowania bardziej złożonych układów przy użyciu MOE lub innego systemu molekularnego modelowania i porównania wyników symulacji z dostępnymi danymi doświadczalnymi.

Efekty kształcenia

• Studenci rozumieją i potrafią interpretować strukturę i funkcję prostych układów biomolekularnych w oparciu o podstawowe prawa nierelatywistycznej fizyki klasycznej i kwantowej.
• Posługują się w sposób logicznie spójny językiem fizyki, chemii i biologii.
• Potrafią samodzielnego konstruować proste teoretyczne strukturalne i funkcjonalne modele wybranych układów biomolekularnych, programować te modele z wykorzystaniem dowolnego środowiska programistycznego (Python, Mathematica lub innego) oraz wykonać symulacje bardziej złożonych systemów z wykorzystaniem MOE lub innego środowiska modelowania, jak również porównywać wyniki symulacji z dostępnymi danymi doświadczalnymi.

Kryteria oceniania

Przed egzaminem studenci otrzymują testowe zagadnienia.
Warunkiem dopuszczenia do egzaminu jest zaliczenie ćwiczeń na ocenę co najmniej dostateczną. Studenci którzy uzyskają z ćwiczeń ocenę 4.5 - 5.0 mogą liczyć na podniesienie oceny z egzaminu pisemnego (patrz niżej) o 0.5.

Podstawą zaliczenia jest egzamin pisemny na który składają się 4 zagadnienia z listy testowych zagadnień. Czas na rozwiazanie do 1.5 godziny. Za rozwiązania zagadnień można w sumie uzyskać 20 punktów.
Tabela ocen:
Liczba punktów Ocena
10-11 3.0
12-13 3.5
14-15 4.0
16-17 4.5
18-19 5.0
20 Celujący

Praktyki zawodowe

Nie wymagane.

Literatura

• A. Hinchliffe, Molecular Modeling for Beginers, Wiley, West Sussex, 2008.
• L. Susskind, Teoretyczne minimum, Co musisz wiedzieć, żeby zajmować się fizyką, Pruszyński i S-ka, 2015.
• L. Susskind, Mechanika kwantowa. Teoretyczne minimum, Pruszyński i S-ka, 2016.
• R. Kosiński, Wprowadzenie do mechaniki kwantowej i fizyki statystycznej, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2006.
• K. A. Dill, Molecular Driving Forces, Statistical Thermodynamics in Chemistry and Biology, Gerland Science, 2003 (ISBN 0-8153-2051-5)
• M Gruziel, P. Kmieć, J. Trylska, B. Lesyng, Selected Microscopic and Mezoscopic Modelling Tools and Models–an Overview, in: "Molecular Materials with Specific Interactions–Modeling and Design", pp. 203-223, Springer, Dordrecht, 2007
• Środowisko modelowania molekularnego MOE, Chemical Computing Group, https://www.chemcomp.com/.
• Kurs komputerowy, Molecular Conceptor, http://www.drugdesign.com/web/
• B. Lesyng, Notatki do wykładów, przesyłane przez USOSa.

Więcej informacji

Dodatkowe informacje (np. o kalendarzu rejestracji, prowadzących zajęcia, lokalizacji i terminach zajęć) mogą być dostępne w serwisie USOSweb:

Strona przedmiotu 1100-2BP23 w USOSweb