Petr Kulhánek kulhanek@chemi.muni.cz Národní centrum pro výzkum biomolekul, Přírodovědecká fakulta, Masarykova univerzita, Kotlářská 2, 61137 Brno C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování I 1. kapitola Experiment X molekulové modelování C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování I - 1 - Obsah přednáškyObsah přednášky Experiment versus molekulové modelování úvod do molekulového modelování, metody s jednomolekulárním rozlišením, výhody a nedostatky Kvantová mechanika stručný úvod, Bornova-Oppenheimerova aproximace, koncept hyperploch potenciální energie, stručný přehled metod Hyperplochy potenciální energie definice, význam, hledání významných bodů, optimalizační metody, hledání lokálních a globálních minim a tranzitních stavů, výpočet termodynamických veličin (enthalpie, entropie, Gibbsova energie) Molekulová mechanika silová pole, dalekodosahové interakce, modelování rozpouštědel Molekulová dynamika vývoj systému v čase, pohybové rovnice, přehled integračních metod, vlastnosti systému, termostaty, barostaty Speciální metody Monte Carlo simulace, hrubozrné modely C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování I - 2 - Pohled na světPohled na svět C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování I - 3 - Experiment Teorie Počítačová chemiePočítačová chemie C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování I - 4 - Experiment Teorie Počítačová chemie Počítačová chemie (výpočetní chemie, Computational Chemistry) je odvětví chemie, které využívá počítačů při řešení chemických problémů. Používá výsledků teoretické chemie implementované do výkonných počítačových programů určených k výpočtům struktury, vlastností a reaktivity molekul a pevných látek. http://www.wikipedia.org Počítačová chemiePočítačová chemie C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování I - 5 Je možné přesně simulovat realitu kolem nás? Počítačová chemiePočítačová chemie C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování I - 6 Je možné přesně simulovat realitu kolem nás? Bohužel NE :-( Počítačová chemiePočítačová chemie C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování I - 7 Je možné přesně simulovat realitu kolem nás? Bohužel NE :-(Proč? neúplná teorie nedostatečný výkon současných i budoucích(?) počítačů Počítačová chemiePočítačová chemie C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování I - 8 Je možné přesně simulovat realitu kolem nás? Bohužel NE :-(Proč? neúplná teorie nedostatečný výkon současných i budoucích(?) počítačů Řešení ... použití aproximací umožňujících řešení problému za použití dostupné výpočetní kapacity Počítačová chemiePočítačová chemie C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování I - 9 Je možné přesně simulovat realitu kolem nás? Bohužel NE :-(Proč? neúplná teorie nedostatečný výkon současných i budoucích(?) počítačů Řešení ... použití aproximací umožňujících řešení problému za použití dostupné výpočetní kapacity Realita Model Výsledek Je výsledek spravný? aproximace výpočet aproximace Počítačová chemiePočítačová chemie C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování I - 10 Je možné přesně simulovat realitu kolem nás? Bohužel NE :-(Proč? neúplná teorie nedostatečný výkon současných i budoucích(?) počítačů Řešení ... použití aproximací umožňujících řešení problému za použití dostupné výpočetní kapacity Realita Model Výsledek Je výsledek spravný? Výsledek experiment validace !!!! výpočet aproximace aproximace Počítačová chemiePočítačová chemie C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování I - 11 Je možné přesně simulovat realitu kolem nás? Bohužel NE :-(Proč? neúplná teorie nedostatečný výkon současných i budoucích(?) počítačů Řešení ... použití aproximací umožňujících řešení problému za použití dostupné výpočetní kapacity Realita Model Výsledek výpočet aproximace Výsledek výpočet aproximace predikce Výsledek experiment validace !!!! aproximace Praktický přístupPraktický přístup C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování I - 12 lidé stroje hypotéza simulace analýza experiment validace model ShrnutíShrnutí C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování I - 13 Počítačová chemie: je interdisciplinární vědní disciplína kombinující současné poznatky z fyziky, chemie, matematiky a informatiky k počítačovému studiu struktury, vlastností a reaktivity molekulárních systémů používá aproximativních modelů a výpočetních postupů vyžaduje validaci (kalibraci) použitých modelů a výpočetní postupů vůči experimentálním datům dosahuje kvalitativních až kvantitativních výsledků (podle použitých modelů) typicky pracuje s atomovým rozlišením Během přednášky se seznámíme s metodami umožnující studium systémů obsahujících až 100 000 atomů v časové škále několika nanosekund. Validace výpočtůValidace výpočtů C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování I - 14 Srovnání předpovězené struktury se strukturou experimentální 3D struktura (X-ray, docking) tvar (kryogenní elektronová mikroskopie) geometrické parametry vzdálenosti (NMR) radiální distribuční funkce (X-ray rozptyl, rozptyl neutronů) Vlastnosti molekul elektronové spektra (UV/VIS spektroskopie) vibrační spektra (IR spektroskopie) dipolový moment difuzní koeficient chemické posuny, spin-spinové interakční konstanty (NMR) Srovnání vypočtených a experimentálních termodynamických a kinetických dat enthalpie (isothermální titrační kalorimetrie - ITC) entropie (ITC) volná energie (Gibbsova, Helmholtozva) (ITC, kinetické měření) Příklady Atomové rozlišeníAtomové rozlišení C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování I - 15 Počítačová chemie Experiment vývojvčase atomové rozlišení od uvedení kvantové teorie zpřesňuje modely zpřesňuje výpočetní postupy dosahuje přesnějších výsledků v kratším výpočetním čase atomové rozlišení od zavedení X-ray krystalografie zpřesňuje techniky zpřesňuje rozlišení Experimenty s jednomolekulárním rozlišením. Anglicky: Single Molecule Experiments X-ray and NMR strukturní analýzaX-ray and NMR strukturní analýza C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování I - 16 viz. standardní přednášky :-) FRET experimentyFRET experimenty C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování I - 17 )/(1 1 0RR E + = 6 Princip: Výsledek: FRET: Fluorescenční resonanční přenos energie dva chromofory můžeme určit vzdálenost Anglicky: Fluorescence Resonance Energy Transfer Řádkovací tunelová mikroskopieŘádkovací tunelová mikroskopie C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování I - 18 Princip: Výsledek: Anglicky: Scanning Tunneling Microscope http://www.wikipedia.org Mikroskopie atomárních silMikroskopie atomárních sil C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování I - 19 Princip: Výsledek: Anglicky: Atomic Force Microscopy (AFM) http://www.wikipedia.org Magnetické a optické pinzetyMagnetické a optické pinzety C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování I - 20 Princip: Výsledek: Anglicky: Optical Tweezers Magnetic Tweezers http://www.nat.vu.nl/en/sec/compl/dual dna/index-en.php http://www.wikipedia.org ShrnutíShrnutí C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování I - 21 Experiment a počítačová chemie by měly být kombinovány tak, aby byl získán ucelený a konzistentní pohled na studovaný systém.